電動汽車參與直流微電網互動的協(xié)調控制研究*

李麗娜，劉宏君，張兆云

(1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518033； 2. 長園深瑞繼保自動化有限公司，廣東 深圳 518057；3. 東莞理工學院，廣東 東莞 523808)

0 引 言

由于能源危機和環(huán)境污染問題的日益嚴重，大力發(fā)展可再生能源和電動汽車技術成為節(jié)能減排的重要舉措[1-2]。隨著國內外電動汽車技術的快速發(fā)展，電動汽車的占常規(guī)汽車比例不斷提升[3-4]。電動汽車內部含有大量的蓄電池組，相當于移動儲能系統(tǒng)，同時蓄電池具有能量雙向流動特性，既可以作為負載，又可以作為電源，因此基于這一特點可以通過對所接入的大規(guī)模電動汽車進行有效的控制,不僅能夠減小靜態(tài)儲能配置容量，同時能夠為電網提供輔助服務，因此電動汽車移動儲能參與電網互動已經得到了廣泛關注[5-7]。

電動汽車參與電網互動策略可以應用于大電網，也可以用于小型微電網，文章主要關注電動汽車參與微電網互動技術[8]。早期關于電動汽車參與微電網運行控制、優(yōu)化以及調度策略主要集中交流微電網[9-11]。近年來，由于直流微電網存在能量轉換次數少、效率高、控制結構簡單，并且易于光伏發(fā)電單元和儲能單元接入等優(yōu)勢得到了迅速發(fā)展[12-13]。針對電動汽車參與直流微電網互動協(xié)調控制策略這一問題，文獻[14]提出了一種電動汽車參與直流微電網的充電優(yōu)化控制策略，根據不同的應用場合，制定了含電動汽車充電需求的微電網能量管理優(yōu)化策略，與常規(guī)充電相比提高了光伏利用率，同時降低了電動汽車充電和電力系統(tǒng)高峰負荷影響。文獻[15]提出了含電動汽車無線充電站的光/儲直流微電網分層控制策略，考慮了蓄電池充放電、光伏發(fā)電單元運行以及無線傳輸工作特性，給出了本地層和上層控制策略，所提出的策略能夠提升無線充電效率。

根據上述研究內容可以看出，目前電動汽車參與直流微電網策略主要集中于電動汽車充放電運行的優(yōu)化，而對于電動汽車參與直流微電網的協(xié)調運行控制研究較少。針對這一問題，提出了一種電動汽車參與直流微電網的協(xié)調控制方法。建立了各個接口單元的數學模型，根據并網運行和孤島運行的運行目標制定了并網接口裝置、光伏發(fā)電單元以及電動汽車的協(xié)調控制方法，最后通過仿真結果驗證了所提出方法的可行性和有效性。

1 集成電動汽車的直流微電網結構

集成電動汽車的直流微電網整體結構如圖1所示。

圖1 集成電動汽車的直流微電網整體結構Fig.1 Overall structure of DC micro-grid with integrated electric vehicle

直流網絡通過電壓源型并網變換器與交流電網連接實現能量雙向互動，可以運行在并網和孤島兩種模式。直流網絡內部含有光伏發(fā)電單元、儲能單元、電動汽車以及多種類型負載。由于光伏組件輸出電壓較低，因此光伏發(fā)電單元通常由光伏電池組件和升壓DC/DC變換器構成；儲能單元和電動汽車通過雙向DC/DC變換器接入直流母線，同時直流微電網中集成了大量的重要和非重要直流負載。電動汽車內部簡化結構框圖如圖2所示。

圖2 電動汽車的內部結構框圖Fig.2 Internal structure block diagram of electric vehicle

根據圖2，其內部含有蓄電池組、雙向DC/DC變換器、DC/AC逆變器和電機等，左側DC/DC變換器接入直流母線，通過控制DC/DC可以對電動汽車內部蓄電池組進行能量管理。在電網能量過剩期間可以通過電動汽車將多余能量進行存儲；在電網能量不足時，電動汽車能夠釋放能量回饋為電網提供輔助服務，實現電動汽車和微電網之間有效互動。

2 集成電動汽車的直流微電網數學模型

2.1 光伏發(fā)電單元的數學模型

光伏發(fā)電單元由光伏電池和升壓型DC/DC變換器構成，其典型結構如圖3所示。

圖3 光伏發(fā)電系統(tǒng)的拓撲結構Fig.3 Topology of photovoltaic power generation system

根據圖3所示，下面分別對光伏電池和DC/DC變換器進行建模分析。光伏電池存在多種數學模型，包括單二極管模型、雙二極管模型以及工程數學模型等[16-17]。文中采用工程數學模型，其可以表示為：

(1)

(2)

ΔU=-bΔT-RsΔI

(3)

(4)

(5)

ΔT=Tc-Tref

(6)

式中Iv為光伏電池電流；Isc和Uoc為光伏電池的短路電流和開路電壓；Um和Im分別光伏電池最大功率點的峰值電壓和峰值電流；a和b分別為參考光照強度下電流和電壓變化溫度系數；ΔIv為由溫度和光照強度引起的電流變化量；ΔT為溫度的變化量；Tref為參考溫度；Sref為參考光照強度。

根據圖3中升壓DC/DC變換器的拓撲結構，在建模過程中考慮開關狀態(tài)，當開關閉合時，開關函數d=1；當開關斷開時，開關函數d=0，整理后得到：

(7)

(8)

式中upv為光伏組件輸出電壓；Lv為濾波電感；Cpv為輸入濾波電容；Cdc為輸出濾波電容；upv為濾波電感電流；io為輸出電流；udc為直流母線電壓。

2.2 電動汽車的數學模型

根據圖2所示，在此不考慮電動汽車內部結構中的電機調速部分，因此電動汽車可以等效為蓄電池組和雙向DC/DC變換器，如圖4所示。

圖4 電動汽車的等效電路Fig.4 Equivalent circuit of electric vehicle

在電動汽車動力電池的發(fā)展中，目前應用在電動汽車上的電池存在多種類型，根據各方面的性能比較，鋰電池性能較好[4]，因此在此考慮電動汽車選取鋰電池，鋰電池的放電模型和充電模型可以分別表示為[18]：

(9)

(10)

式中E0為電壓常數;K為極化常數；Q為蓄電池最大容量；i*為低頻動態(tài)電流；it為可提取容量；i為蓄電池電流；A為指數電壓；B為指數容量。

蓄電池的荷電狀態(tài)可以表示為：

(11)

式中SOC為荷電狀態(tài)。

2.3 并網接口裝置的數學模型

并網接口裝置采用三相兩電平電壓源型并網變換器，其拓撲結構如圖5所示。

圖5 并網接口裝置框圖Fig.5 Block diagram of grid connected interface device

根據圖5所示，為了便于控制，以d軸電壓進行定向能夠得到dq坐標系下的數學模型為：

(12)

式中Lg和Rg為濾波電感和等效電阻；id和iq分別電網電流的d軸和q軸分量；vd和vq分別為變換器端電壓的d軸和q軸分量；ud和uq分別為電網電壓的d軸和q軸分量；ω為基波角頻率。

3 電動汽車參與微電網互動控制策略

根據前面分析可知，當電動汽車接入直流微電網時能夠將其等效為移動儲能系統(tǒng)，因此電動汽車的靈活接入可以降低靜態(tài)儲能配置的容量需求，減少整個系統(tǒng)的運營和投資成本。為了便于分析電動汽車移動儲能系統(tǒng)參與直流微電網互動控制策略，在控制策略研究中不考慮靜態(tài)儲能裝置。根據系統(tǒng)運行狀態(tài)主要可以分為并網運行模式和孤島運行模式，下面分別對其進行分析。

3.1 并網運行模式

在并網運行模式中，并網靜態(tài)開關閉合，直流微電網中的直流母線電壓由并網接口裝置進行控制，為了最大化利用太陽能進行并網發(fā)電，此時光伏發(fā)電單元運行在最大功率跟蹤模式，多個電動汽車同時接入直流母線工作在充放電模式。在并網模式運行過程中，主要利用電動汽車移動儲能系統(tǒng)實現電力系統(tǒng)削峰填谷。因此下面分別對兩種情況進行分析；

(1)當外部負荷處于峰值時段時，電力系統(tǒng)供能需求增加，對于直流微電網，當光伏輸出功率大于負載功率時，此時多余的功率將全部傳輸給電網；當光伏輸出功率小于負載功率時，不足的功率將由電動汽車提供，并且在兩種情況下電動汽車移動儲能將會以SOC比例進行放電工作，電動汽車輸出功率與SOC比例成正相關，當SOC處于下限時，其處于待機狀態(tài)；

(2)當外部負荷處于谷值時段時，電力系統(tǒng)供能需求減少，此時以快速對多組電動汽車進行充電為主的運行調控方式。對于直流微電網，當光伏輸出功率大于負載功率時，此時多余的功率全部對電動汽車進行充電，且不足的功率由電網供給。當光伏輸出功率小于負載功率時，此時負荷不足的功率和電動汽車充電功率全部由電網供給。

為了實現并網運行模式下的協(xié)調控制策略，下面分別對各個單元進行分析。在并網運行時，并網變流器采用電網電壓定向矢量控制，其主要控制目標是維持直流母線電壓穩(wěn)定，其控制框圖如圖6所示。根據圖6首先要采集實際直流母線電壓，然后將其與直流電壓參考值相減得到直流電壓誤差信號，經過PI調節(jié)器得到d軸電流內環(huán)指令，為了實現單位功率因數運行，設置q軸電流指令為0，然后進行電流內環(huán)控制，將調節(jié)器的輸出分別與解耦項和前饋項疊加后得到調制信號，最終通過SPWM調制得到驅動脈沖。

圖6 并網接口變換器的控制框圖Fig.6 Control block diagram of grid-connected converter

對于光伏發(fā)電系統(tǒng)，控制策略如圖7所示。

圖7 光伏接口變換器的控制框圖Fig.7 Control block diagram of photovoltaic interface converter

為了實現最大功率跟蹤控制，在此采用擾動觀察法，分別采集光伏電池組件的輸出電壓和輸出電流，將其送入擾動觀察法MPPT模塊得到電壓參考值，然后進行電壓閉環(huán)控制得到占空比信號，將占空比送入PWM調制模塊得到開關器件的驅動信號。

對于電動汽車移動儲能系統(tǒng)，其詳細控制框圖如圖8所示。首先采集蓄電池SOC、端電壓以及功率指令送入能量管理系統(tǒng)(Energy Management System，EMS)，進而求得輸出電流指令，然后通過電流閉環(huán)控制得到占空比信號，最后將其送入PWM調制模塊得到變換器的驅動信號。

圖8 電動汽車接口變換器的控制框圖Fig.8 Control block diagram of electric vehicle interface converter

3.2 孤島運行模式

當電網發(fā)生短時故障時，整個系統(tǒng)失去了外部電網的頻率和電壓支撐作用，為了避免過流對并網接口裝置造成損害，將脈沖封鎖，停止工作，等待電網恢復。此時為了保證直流母線上所接入重要負荷不間斷供電，需要切換電動汽車移動儲能的控制策略，由于存在多臺電動汽車，因此為了實現即插即用，在此采用直流下垂控制策略，其控制框圖如圖9所示。

圖9 孤島運行模式下電動汽車的控制框圖Fig.9 Control block diagram of electric vehicle under islanding operation mode

根據圖9所示，在此采用直流電流-電壓下垂控制，采集直流電流并乘以下垂系數得到電壓變化量，并將該變化量疊加至電壓外環(huán)參考值上，然后進行電壓外環(huán)控制得到電流內環(huán)指令，將電流內環(huán)指令與實際值相減經過PI調節(jié)器得到占空比信號，再經過PWM載波調制模塊得到驅動脈沖。

4 仿真驗證

為了驗證所提出的電動汽車參與直流微電網互動協(xié)調控制策略的有效性，采用Matlab/Simulink仿真軟件搭建小規(guī)模仿真試驗平臺。設定系統(tǒng)直流母線電壓為800 V，電網相電壓峰值為380 V/50 Hz，選取兩臺純電動汽車，其額定充電功率為15 kW，設置SOC上下限分別為90%和20%，光伏發(fā)電系統(tǒng)額定功率為10 kW，設置交流負荷為30 kW，直流負荷為10 kW，假設交流負荷大于10 kW為峰值階段，反之假設外部負荷為谷值階段。

4.1 并網運行模式

首先對并網運行模式進行仿真研究，仿真結果如圖10所示。

圖10 并網運行模式下的仿真結果Fig.10 Simulation results of grid-connected operation mode

初始狀態(tài)設置光照強度為800 W/m2，交流負荷為30 kW，直流負荷為6 kW，電動汽車1蓄電池SOC初始狀態(tài)為80%，電動汽車2蓄電池SOC初始狀態(tài)為60%，此時根據上面假設可知負荷處于峰值階段，此時直流母線電壓由并網接口裝置進行控制穩(wěn)定在800 V，由于處于峰值階段因此根據協(xié)調控制策略可知蓄電池根據SOC比例工作在放電模式，如圖10(d)所示。在0.5 s時光照強度變化至1 000 W/m2，光伏功率增加；在1.0 s時光照強度變化至700 W/m2，光伏功率減小，同時直流負荷減小至4 kW；在1.2 s時光照強度變化至900 W/m2，光伏功率增加，同時交流負載由30 kW減小至20 kW，可以看出在不同時間段內，光伏發(fā)電系統(tǒng)都能夠實現最大功率跟蹤運行，而直流電壓在擾動下可以穩(wěn)定運行。在1.5 s時，交流負載由20 kW減小至10 kW，此時外部負荷進入谷值階段，光照強度變化至1 000 W/m2，此時為了減小電動充放電轉換對直流電壓沖擊，控制電動汽車逐個切換，電動汽車1在1.6 s時先由放電運行切換至功率為15 kW的恒功率運行，然后電動汽車2在1.8 s時再切換至功率為15 kW的恒功率運行，兩組蓄電池SOC逐漸增加，直流電壓在潮流翻轉的情況下抗擾動性能良好，仿真結果驗證了有效性。

4.2 孤島運行模式

下面對孤島運行模式進行仿真研究，仿真結果如圖11所示。

圖11 孤島運行模式下的仿真結果Fig.11 Simulation results of islanding operation mode

初始狀態(tài)設置光照強度為1 000 W/m2，交流負荷為30 kW，直流負荷為6 kW，兩臺電動汽車蓄電池SOC初始狀態(tài)均為80%，在起始階段工作在并網模式，在1 s時切換至孤島模式，此時并網接口裝置停機，兩組電動汽車對其進行供電，并且控制直流電壓，可以從圖中看出直流電壓穩(wěn)定在允許運行范圍內，兩組電動汽車均分直流負載的功率，在1.2 s時，光照強度變?yōu)?00 W/m2，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率下降，此時從圖中看出電動汽車輸出功率增加，直流電壓下降并且穩(wěn)定。在2 s時，由孤島切換至并網狀態(tài)，并網接口裝置控制直流電壓并穩(wěn)定在800 V，電動汽車切換至負荷峰值狀態(tài)，并工作在放電模式。

5 結束語

針對電動汽車參與微電網輔助服務問題，提出了一種電動汽車移動儲能系統(tǒng)參與直流微電網協(xié)調控制方法，建立了各個接口單元的數學模型，針對并網模式和孤島模式的不同控制目標制定了并網接口裝置、光伏發(fā)電單元以及電動汽車移動儲能系統(tǒng)的控制策略，并對協(xié)調控制策略進行了仿真研究。仿真結果表明在并網運行模式負荷峰值階段能夠根據電動汽車移動儲能單元SOC比例進行放電運行，最大限度對電網進行支援；在并網運行模式負荷谷值階段能夠對電動汽車進行快速恒功率充電，最大限度的利用電網進行供電，平抑負荷曲線。在孤島運行模式下，當電網遭受故障或者計劃性孤島情況，通過切換電動汽車移動儲能的控制策略，能夠實現對直流母線電壓穩(wěn)定控制，且實現對直流負荷的功率均分，同時所提出的算法在并網轉孤島、孤島轉并網切換過程中對直流母線電壓沖擊很小，仿真結果驗證了所提出方法的可行性和有效性。