采用基于快速傅里叶变换的频率分解方法，三相太阳能霍克蓄电池集成电动汽车充电系统的新型电力质量改进

本文提出了一种新型的功率质量（PQ）改进技术，采用基于快速傅里叶变换的频率分解法（FFT-FDM），应用于两级并网太阳能光伏转换系统（SPCS）与电池能量转换系统（BECS）集成。该方法在电网受谐波影响时，在共耦合点（PCC）存在非线性电动汽车（EV）充电负载时，提升电网电流质量，并通过无缝微电网（MG）运行确保电网停电期间的供电不中断。FFT-FDM实时分解非线性和非固定信号，提取脉宽调制（PWM）控制互联双向电压源变换器（VSC）的基本频率分量。该方法支持网格连接模式（GCM）和孤岛模式（IM）。为了提高同步精度，FFT-FDM作为锁相环（PLL）的预滤波器。此外，连接BECS的双向直流-直流转换器稳定直流总线，补偿间歇性太阳能发电，并支持瞬态负载变化。拟议配置确保高PQ、操作可靠性及模式间无缝切换。仿真和实时验证证实了其有效性，并展示了优于传统基本成分提取技术的性能。

简介

全球能源行业正向低碳技术转型，以应对对清洁能源日益增长的需求[1,2]。在各种绿色能源中，太阳能光伏转换系统（SPCS）因其数量丰富、模块化、成本效益高且温室气体排放极低，成为最有前景的替代方案之一[3]。这促使人们紧迫探索SPCS作为替代依赖化石燃料的可持续途径。SPCS越来越多地被用于住宅和商业设施，以减少对传统公用事业的依赖，并为关键负载（如医院和数据中心）提供不间断的电力。然而，它们时变且非线性，加上太阳辐照度和温度的影响，带来了重大挑战。SPCS的最高效率上限约为20%，因此需要有效的MPPT以最大化能量提取[4]。常见算法如扰动与观测（P&O）、增量电导（InC）和基于人工智能（AI）的方法，对于确保太阳能资源的可靠高效能量采集至关重要。
在此类三相、电网连接的应用中，SPCS通常采用单级或两级电力处理拓扑[5]。电压提升和MPPT操作分别通过直流-直流转换和直流链路总线实现，分别提供稳定电压，采用两级布局[6]。相比之下，电网连接以及所需的有功和无功功率由电压源变换器（VSC）提供。为了提高确定性和灵活性，SPC通过各自的单向直流升压转换器和双向直流升压转换器（BDDC）与电池能量转换系统（BECS）结合，并配备一个共用的直流总线。这种集成不仅抵消了SPCS的不确定性特性，还减轻了直流母线上的电压纹波，从而提高了逆变器工作的可靠性。这种SPCS–BECS混合架构特别适用于电动汽车（EV）充电基础设施，因为在共耦合点（PCC）处的非线性电力交换会导致显著的谐波注入，加重PQ并违反IEEE/IEC规范[7]。因此，这种混合集成正逐渐成为实现电动汽车充电系统中既能实现能源可靠性又符合PQ合规的实用方案[8]。
在这些情景下，补偿性电流注入电网需要对互连电压源变换器（VSC）进行复杂的控制[9]。传统算法，如同步参考系（SRF）理论和瞬时无功功率（IRP）理论，被广泛使用[10]。然而，它们通常表现得谐波跟踪精度不足、直流偏移去除不足以及动态学缓慢[11]。自适应算法，如最小均方算法（LMS）和可变步长LMS（VSSLMS），在适应性方面表现优异，但在低信噪比和快速跟踪能力有限的情况下，在变化的操作环境中仍存在灵敏度较差的问题[12]。这些局限性激发了基于分解的信号处理技术的发展，用于从退化波形中提取底层基频成分。已开发出多种方法，包括经验模分解（EMD）、集合模解和变分模分解（VMD），每种方法都存在一些降级因素，如模混、混叠或计算负担，限制了其在实时控制中的应用[13]。这凸显了在动态网格条件下，既能确保准确谐波分离的同时，计算效率高的分解技术的必要性。
为解决这些问题，本文提出了一种基于快速傅里叶变换（FFT）的频率分解法（FDM），用于在并网的SPCS–BECS集成电动汽车充电系统中实现实时PQ改进。与EMD和VMD方法不同，基于FFT的分解在不考虑计算时需要整整一个基频周期时效率高，并借助高至低（HTL）和低至高（LTH）扫描机制，识别样品窗口中基频[14]。通过将失真栅极和负载信号分解为独立的频率分量，可以准确提取负载的基本分量，并产生参考信号，利用脉宽调制（PWM）控制VSC。这些三相电压和电流信号通过电力电子变换器和拟议的频率分解策略实现，以实现谐波降频、精确同步以及可靠的并网模式（GCM）和孤岛模式（IM）操作。此外，为了在失真栅极下的精确相位检测，FFT-FDM以预滤波器的形式与三相SRF锁相环（PLL）结合使用，提升同步稳定性。双向直流-直流变换器与BECS的集成进一步确保直流链路电压稳定性，补偿太阳间歇性，并在瞬态负载变化期间提供支持。因此，拟议的FFT-FDM方法为提升集成SPCS–BECS–EV基础设施中的PQ、同步和稳定性提供了切实有效的途径。将SPCS和BECS整合进拟议工作的微电网（MG）架构，支持联合国可持续发展目标（SDG）7（可负担且清洁能源）的愿景，旨在确保全民获得可靠、可持续和现代化的能源服务。
本文的主要贡献总结如下：

• 1.
  引入了FFT-FDM的一种新应用，用于提取栅极和负载信号的基本分量，确保在调波富集条件下高质量的电流注入。
• 2.
  为电动汽车充电系统开发了两级SPCS–BECS架构，BDDC稳定直流总线，并在太阳间歇性和瞬变期间支持功率平衡。
• 3.
  基于FFT-FDM的预滤波器集成用于PLL的预滤波器，提升了在污染栅格条件下的相位估计和同步精度，促进了GCM与IM之间的无缝过渡。
• 4.
  全面的仿真和实时验证表明，所提方法显著提升了PQ，提升了操作可靠性，并优于传统控制技术。