燃料邱健蓄电池电动车车辆到电网技术中两级双向电力转换器的设计与分析

本文提出了一款用于车网（V2G）技术的隔离双向两级电力变流器的设计与分析，该变流器基于燃料电池（ FCBEV）电动汽车（FCBEV）。在第一阶段，初级侧使用二次升压转换器以实现更高的电压水平，而次级侧则使用电压均衡电路来平衡直流子栅极的电压。在第二级，使用T型逆变器进行网格连接，有效地最小化总谐波失真（THD）。基于人工神经网络（ANN）的最大功率点追踪技术结合遗传算法（GA）已被采用，在系统温度和压力变化条件下从FC中提取最大能量。所提转换器的性能已通过使用MATLAB/Simulink软件进行模拟研究评估和验证。结果表明，拟议转换器在不同工作条件下的性能令人满意。根据IEEE 519标准，电网电流THD保持在2.35%以下。所提议的变换器和控制策略促进了电动汽车与可再生能源及双极混合交流/直流微电网的整合。

简介

减少对化石燃料的依赖，这一对全球变暖、空气污染和气候变化等严重问题的依赖，已成为各国政府和研究人员的显著目标。随着分布式发电（包括可再生能源）的广泛应用，预计对化石燃料的需求将减少，农村或离网地区日益增长的能源需求将得到满足。由于可再生能源的间歇性，现已有必要与储备型储能装置共同利用。微电网是可运行于并网或孤立模式的小型电力系统，近年来引起了广泛关注。微电网由光伏（PV）面板、燃料电池（FCs）、风力涡轮机、储能装置和负载组成，这些都是分布式发电的组成部分。根据电源和负载连接配置，微电网可分为交流、直流或混合交流/直流[1]。
在混合交流/直流微电网中，这是一种新概念，RES的集成由两级转换器实现。第一阶段使用直流-直流转换器，第二阶段使用直流-交流转换器[2]。在第一级中，使用直流-直流转换器将RES的波动直流电压调整到第二级的适当水平，同时确保在最大功率点（MPP）下运行[3]。在第二阶段，使用直流-交流转换器将直流电压转换为交流电压，这对于电网整合至关重要，因为将直流电转换为电网可用的交流电[4]。除了电压转换外，直流-交流转换器还控制有源功率流，保持稳定的直流链路电压，并提升电力质量[5]。

最新研究表明，混合交流/直流微电网（HMG）结合了交流和直流子电网的优势，是传统集中式电网的有前景替代方案。此前关于HMG的研究主要关注不同拓扑结构、连接交流和直流微电网的互联变流器（ILCs）控制策略、能源/电力管理以及电力质量改进等问题。[6]中提供了经济实惠的离网HMG系统，集成了电池、柴油发电机、风力涡轮机和太阳能电池板等交流和直流组件。在[7]中，回顾了不同类型HMG结构（如交流耦合、直流耦合和交流-直流耦合）在不同负载条件和操作模式下的功率管理策略和控制方案。采用双向模块化多级ILC的四端和五端互联架构在[8,9]中被引入。HMG中的若干ILC控制结构被分类和分析[10,11]。在[12]中，采用了基于频率下垂的控制技术，以防止循环功率和ILC过应力，取代传统的电压下沉策略。在[13]中，提供了独立重机枪中ILC的通用下垂控制方案。这种方法通过避免在功率控制模式间切换来最小化能量损失，同时通过减少频率偏差和瞬态响应确保稳定运行。参考文献[14]探讨了ILC的控制策略，以消除有功/无功功率的振荡，并在不平衡电网条件下正确执行瞬态功率共享。在[15]中，提出了改进的基于谐波的三维下垂控制技术，以确保双向直流变换器与并联双向ILC之间的准确功率共享。在[16]中，提出了一种基于线阻抗补偿的控制方法，用于重机枪中的ILC。HMG中的先进能源管理策略和ILC预测控制方案模型已在[17]中提出。为防止单一双向ILC的过应力，[18]中提出了一种多并行双向ILC的分布式电源管理技术。在[1]中，详细阐述了配备储能系统和电源管理技术的两级ILC拓扑结构。在[19]中，介绍了智能HMG功率质量控制的概述。参考文献[20]描述了控制并行操作的直流接管（ILC），以提升孤岛式重机枪的功率质量。
在参考文献[21]中提到，具有三线直流线上两个电压电平（正、负、零）的双极直流微电极（BPDCMGs）可提升电力质量和可靠性。它们在三线直流线上有两个电压电平，允许多种电力供应。为了获得对称的双极输出电压，建议使用电压均衡器或串联电源转换器。在[22]中，采用回步法确保上下端子电压相等。在[23]中，通过由一个开关和四个二极管组成的电压补偿电路提供对称双极电压。在[24]中，当跨Z源逆变器断开时，设计了一个三电平双向直流变换器承担电压平衡功能。双极混合交流/直流微电网（BPHMGs）源自BPDCMG和交流微电网的组合，后者采用两电压电平的直流线路配置和三线结构，如图1所示。[25]报道指出，BPHMG中可以用作ILC的两种功率转换器，分别是单级和两级。在[26]中，他提出了一种单级逆变器，用于在BPHMG中实现为宽功率范围的ILC。
车对网（V2G）和车对户的概念，使电动车电池能够在高峰时段为电网或家庭供电，吸引了广泛关注。在[27]中，研究并对支持电网到车辆（G2V）和车辆间电力流的不同双向交流-直流和直流-直流变换拓扑进行了对比。在[28]中，讨论了V2G系统对电力质量、电力管理方法及智能电网交互技术的影响。在[29]中，探讨了各种电动汽车充电情境对V2G运营的影响。另一方面，燃料电池电动汽车（FCEV）融入电网/家庭是目前开始研究的课题之一。多端口转换器（MPC）具有更少开关数、更低成本、更高效率和更低控制复杂度等特性，更受V2G系统[30]和电动汽车充电[31,32]的优先使用。在[33]中，实现了FCV2G系统的设计和分析，其接口提供高增益转换，采用开关电容升压变换器结构。[34] 展示了氢能FCEV在V2G模式下运行的集成，配备光伏系统，以及一个住宅综合体，实现了净零能耗建筑。有人建议采用双输入双输出直流变换器，用于与低压BPDCMG接口的FC和PV系统，见参考文献[35]。[36]已对PV/质子交换膜燃料电池（PEMFC）辅助的独立HMG进行控制和动态功率管理。在[37]中，电压倍增器与单相单级高阶升高零电压切换升压换流器结合使用，以满足FC微电网系统对效率和功率密度的需求。采用模糊逻辑（FL）控制器的PV/固体氧化物FC/电池储能微电网的电压和频率控制已被报道[38]。在[39]中，提出了一种针对电动车、可再生能源和电池并网住宅的新型能源优化方法。参考文献[40]旨在通过基于FL的电动汽车电池实现充放电管理系统，提升V2G系统的功能性。ANN和PSO被应用于三相电压源控逆变器的并网系统中，以最大化光伏功率，即使辐射波动。在[41]中，基于非线性控制的AI算法被集成为电动汽车中的V2G和G2V应用。人工神经网络（ANN）用于确定PV系统的MPP。此外，近年来被认为值得研究的因素之一是利用FC的可变结构获得最大功率[42]。为了从FC中提取最大功率，基于人工神经网络（ANN）的最大功率点跟踪（MPPT）方法已被部署。基于人工神经网络的MPPT控制器，采用径向基函数网络算法以最大化在变化工作情境下从PEMFC中提取功率，见[[43]， [44]， [45]]。

本文介绍了一种新的隔离双向两级功率变换拓扑结构，旨在高效管理BPHMG的功率流。在第一阶段，初级侧使用二次升压转换器以实现更高的电压水平，而次级侧则使用电压均衡电路来平衡直流子栅极的电压。在第二级，使用T型逆变器进行网格连接，有效地最小化总谐波失真（THD）。综述文献显示，关于FCBEVs整合进BPHMG的文献仍然不足。此外，现有研究中未提出基于遗传算法（GA）优化的基于人工神经网络（ANN）的MPPT技术以确定PEMFC的MPP。本研究的原始内容将在下文讨论，旨在填补文献中的这一空白。本研究的主要贡献可总结如下：

• i.
  FCBEV与BPHMG之间的互联结构是首次提出的新概念，
• 二、
  由于电压平衡电路，BPDCMG的上下两侧提供了两个等电压。
• 三、
  采用改进型双主动桥结构，电池与FC之间采用二次升压变换器，以实现高升压能力，
• 四。
  由于栅极侧采用T型三电平逆变器结构，电流的谐波失真得到了减少。
• v.
  所展示的变换器能够通过根据PEMFC的可用功率与负载或电网需求进行充放电来处理双向电力流。
• Vi。
  提出了一种基于ANN-GA的混合MPPT控制器，旨在从PEMFC中提取最大功率。

为展示所提变换器的效率和有效性，利用MATLAB/Simulink软件分析了两个在动态负载和运行条件下的综合案例研究。获得的结果表明，所提出的拓扑结构是一个令人满意的候选方案，具有创新性特征，作为FCBEV与BPHMG之间的接口。论文的其余部分如下排列。第二节描述了拟议ILC拓扑的建模过程。第三节讨论转换器的控制器设计及基于ANN-GA混合MPPT方法的开发。第四部分介绍了该系统的结果和讨论。最后，在第五部分，重点介绍了重要的贡献和结论。