面向大功率充电机的多电平整流器研究

面向大功率充电机的多电平整流器研究面向大功率充电机的多电平整流器研究

摘要：本文主要研究面向大功率充电机的多电平整流器。首先介绍了大功率充电机所应满足的需求和充电机电源电网的特点；其次分析了常用整流器的特点和存在的问题，介绍了多电平整流器的优点和应用领域；然后详细讨论了多电平整流器的拓扑结构和控制方法，包括基于交流侧电压平衡的PWM控制和基于无感知电流控制的PWM控制，以及他们各自的优缺点；最后介绍了多电平整流器相关技术的研究现状和未来研究方向。

关键词：大功率充电机；充电机电源电网；整流器；多电平；拓扑结构；控制方法；研究现状；未来方向

1.引言

随着电动汽车的普及，对充电机的需求也越来越大。充电机电源电网一般为3相交流电，电压波形有较大的谐波含量，此时需要一种优秀的整流器来进行滤波和功率因数校正。常用的整流器有单相桥式整流器和三相桥式整流器，这些整流器结构简单，控制方便，但其谐波含量较高，且一般只有单个电平，容易产生电压浪涌、电路损坏等问题。

而多电平整流器在充电机及其他大功率电能质量稳定设备中应用越来越广泛。多电平整流器的电压输出比单电平整流器更接近正弦波，因此谐波含量较低，输出电平更加稳定。多电平整流器还可以实现高效能的无功补偿。因此，本文的主要研究方向是面向大功率充电机的多电平整流器。

2.充电机电源电网的特点和充电机所应满足的需求

充电机电源电网一般为3相交流电，电压波形有较大的谐波含量，在此情况下，充电机应具有以下特点：

（1）充电机应具有低谐波电流特性，以满足电网谐波标准。

（2）充电机应具有高功率因数，对电网不带来有害的乱流和谐波。

（3）充电机电流输出应满足充电控制要求。

（4）充电机应具有高效率和高可靠性，以确保充电的安全和稳定。

3.常用整流器的特点和存在的问题

3.1单相桥式整流器

单相桥式整流器是一种常用的单电平整流器，由四个二极管构成，并且结构简单、控制容易，但其谐波含量较高，导致互感器和电容器会遭受过多的谐波损伤。

3.2三相桥式整流器

三相桥式整流器是一种常用的单电平整流器，由六个二极管构成，并且结构简单、控制容易。但其谐波含量较高，导致互感器和电容器会遭受过多的谐波损伤。对于大功率的充电机而言，三相桥式整流器的失效会对充电机的工作造成较大威胁。

4.多电平整流器的优点和应用领域

4.1多电平整流器的优点

（1）输出电压质量要好

多电平整流器的输出波形非常接近正弦波，因此具有低谐波电压波形的优点。在充电机系统中，可以让输出电压更加稳定，减少在额定功率下的逆变损失。

（2）承载能力更强

由于多电平整流器拥有多个电平，所以可以通过控制其各级电压来分担设备的运行负荷。由此可以提高各种设施的容量，提高设备可靠性和电能质量稳定性。

（3）实现高效的无功补偿

针对充电设备的无功补偿问题，多电平整流器可以在所有电平上进行无功补偿，因此能够满足一个充电站的无功补偿需求。

4.2多电平整流器的应用领域

多电平整流器在所需输出质量更高的环境中得到了广泛应用，其中包括：直流驱动中的矢量控制、高档PWM交流调压器及绝缘性的光伏系统，等等。

5.多电平整流器的拓扑结构和控制方法

5.1多电平整流器的结构

多电平整流器结构种类繁多，其基本拓扑可以分为两类：Neutral-Point-ClampedNPC（中点电抱电路）型多电平整流器及Flying-CapacitorFC（漂移电容器）型多电平整流器。

5.2多电平整流器的控制方法

多电平整流器的控制方法可以分为两大类：基于交流侧电压平衡的PWM控制和基于无感知电流控制的PWM控制。前者常常是使用最广泛的方法，但是需要实现电压平衡的控制。后者可以省去电压平衡的额外控制，但是需要按照相应的规则进行无感知电流的寻找和控制。

6.研究现状和未来研究方向

目前，多电平整流器的研究已广泛应用于各领域，但仍然存在着一些问题。例如，多电平整流器对硬件设备的要求较高，对控制策略的要求也较高，同时还存在一些问题，如在不同负载下的工作效率、控制的稳定性等等。为了进一步完善多电平整流器研究，未来的研究方向可以从以下几个方面成展开：

（1）研究新型拓扑结构：目前较流行的多电平整流器主要有中点电抱电路型和漂移电容器型两种结构。未来的研究可以将重点放在新型的多电平整流器技术上，例如神经网络多电平整流器等。

（2）其余电能质量控制：多电平整流器可以用于DC驱动的各种控制设备中，如电动汽车、并网光伏等中，同时也可以与滤波器等结合以实现电能质量稳定。

（3）控制策略的研究：多电平整流器控制策略对该技术应用于其他领域的质量有很大的影响，如何综合考虑多因素制定相应控制策略，还需要进一步研究（4）提高效率：多电平整流器交替使用不同的电气元件，故它的效率比传统整流器高。但在不同电力系统中的效率仍然存在着一定的问题，因此未来的研究可以着重于优化控制策略以提高效率。

（5）使用新材料：磁性材料是多电平整流器中最重要的元件之一，它们的性能会直接影响整个系统的质量。未来的研究可以探索新的材料来替代传统的铁磁材料，从而提高功率密度和效率。

总之，多电平整流器在今后的能源转型和智能化控制等领域中将起到越来越重要的作用。虽然在现阶段，该技术仍存在一些问题和挑战，但是随着科技的不断进步和创新，相信未来会有更多的突破和进展未来多电平整流器的应用

未来，多电平整流器有望在以下几个方面得到广泛应用：

（1）可再生能源领域：随着可再生能源的快速发展，如太阳能和风能，多电平整流器可以用于将直流电转换为交流电，以满足大规模电力网络的要求。同时，这种技术还可以用于分布式电力系统中，以提高系统的稳定性和可靠性。

（2）轨道交通领域：多电平整流器可以用于地铁、高铁等轨道交通系统中，以提高电能的利用效率和减少对电网的影响。此外，多电平整流器还可以用于电动汽车的充电，以提高充电效率和减少充电时间。

（3）电力电子设备领域：多电平整流器可以用于直流变压器、电感器、电容器等电力电子设备中，以提高设备的效率和性能，并减少电子噪声和电磁干扰的产生。

（4）智能电网领域：多电平整流器可以用于智能电网中，以提高电力转换和传输的效率和可靠性，同时减少电网中的电力损耗和浪费。

总之，多电平整流器具有广泛的应用前景和市场需求，未来在技术和产品上的不断创新和发展将会推动其进一步成为电力电子领域的重要技术之一（5）工业控制领域：多电平整流器可以用于工业控制中的电源电路，以提高工业设备的效率和稳定性。此外，多电平整流器还可以用于高精度的温度控制和运动控制领域，提高工业自动化水平和生产效率。

（6）新能源汽车领域：多电平整流器可以用于新能源汽车中，以提高电池充电和放电的效率，并延长电池寿命。此外，多电平整流器还可以用于控制电机的运行，提高汽车的性能和驾驶体验。

（7）航空航天领域：多电平整流器可以用于航空航天中的电源控制系统，以提高系统的性能和效率，并减少系统的体积和重量。同时，多电平整流器的可靠性和稳定性也符合航空航天领域对电子设备的高要求。

（8）家庭电器领域：多电平整流器可以用于家庭电器中的电源控制和调节，以提高家电的效率和安全性。例如，电视机、电脑和手机等家庭电器的电源供应系统中可以引入多电平整流器技术，提高系统的稳定性和可靠性。

综上所述，多电平整流器将在各个领域发挥重要的作用，带来更高效、更