基于模糊控制单端Zeta(SEZE)转换器的双向快速充电架构在电网集成电动汽车中的应用研究

本文提出了一种创新的单端Zeta(SEZE)双向转换器拓扑结构，通过模糊逻辑控制器(FLC)实现了车辆到电网(V2G)和电网到车辆(G2V)的双向能量流动。该研究重点解决了电网连接充电系统中的总谐波失真(THD)问题，相比传统PID和PI控制器，FLC在V2G模式下将电流THD降至3.51%，G2V模式下更降至3.02%。SEZE转换器采用模块化设计，具有器件数量少、效率高(97.1%)等优势，为智能电网中的电动汽车集成提供了创新解决方案。

　　

引言

全球环境可持续发展和能源安全问题推动了从传统化石燃料向可再生能源的转型。交通领域正经历着电动汽车(EV)的快速发展和应用。电动汽车不仅能减少温室气体排放，还能通过车辆到电网(V2G)和电网到车辆(G2V)等双向功率流动模式实现智能集成。然而，电动汽车的大规模应用给现有电力基础设施带来了功率质量恶化、电压不稳定和电网拥堵等挑战。

系统架构

研究提出了一种新型单端Zeta(SEZE)转换器拓扑结构，该结构整合了SEPIC和ZETA转换器的优势。SEPIC作为DC-DC转换器，以其独特的电路拓扑结构著称，包含两个电感器和两个电容器，被归类为四阶系统。ZETA转换器仅使用两个开关，简化了控制并减少了元件数量。SEZE转换器结合了两者的优点，在V2G和G2V应用中表现出色，能提供非反相输出电压、降低输出电压纹波，并减少组件开关应力。

稳定性分析

通过建立小信号模型，推导出SEZE转换器在SEPIC和ZETA模式下的传递函数。伯德图分析表明，该转换器在两种工作模式下均保持稳定。在正向模式(G2V)下，转换器可实现升压和降压功能；在反向模式(V2G)下，同样支持升压和降压操作，为双向能量流动提供了灵活控制。

模糊控制策略

研究采用模糊逻辑控制器(FLC)来管理SEZE转换器。FLC基于误差(E)和误差变化率(ΔE)进行决策，通过模糊规则库输出占空比调整量。相比传统PI和PID控制器，FLC能更好地处理系统非线性和外部扰动。在V2G模式下，FLC将电流THD降至3.51%，远优于PI控制器的10.83%和PID控制器的4.83%；在G2V模式下，FLC进一步将THD降至3.02%。

性能验证

仿真结果显示，SEZE转换器在800V直流母线电压和350V电网电压条件下运行稳定。锂离子电池(90V，80Ah)在50%充电状态(SOC)下表现出良好的动态响应。转换器效率达到97.1%，电压增益高达7，显著优于传统SEPIC、buck-boost等拓扑结构。特别是在谐波抑制方面，FLC不仅改善了电流波形，还将电网电压THD降至3.43%。

比较分析

与现有转换器拓扑相比，SEZE在电压增益和效率方面表现突出。虽然不具备隔离特性，但其组件数量适中(2个开关、2个二极管、2个电感和2个电容)，在功率密度和成本效益方面具有明显优势。这种设计特别适合需要高电压增益和低输入电流纹波的可再生能源应用。

结论

SEZE转换器结合模糊控制为电动汽车与电网的双向集成提供了创新解决方案。其模块化设计、高效率(97.1%)和优异的谐波抑制性能(THD<3.5%)，为智能充电系统和微电网应用奠定了基础。该架构具有良好的可扩展性，可通过并联多个转换器模块或集中控制策略来支持更多电动汽车的接入，在未来能源管理中具有广阔应用前景。