V2G模式下電動汽車充放電控制策略研究

王響

東北石油大學(xué) 黑龍江 大慶 163000

前言

人們越來越關(guān)注二氧化碳的排放，溫室效應(yīng)和化石燃料的迅速枯竭，因此有必要生產(chǎn)和采用新型環(huán)保的可持續(xù)替代能源來替代內(nèi)燃機(jī)（ICE）驅(qū)動的車輛。因此，在過去的十年中，電動汽車已經(jīng)以某種方式廣泛普及，主要是因?yàn)樗鼈兊臒煔馀欧帕课⒉蛔愕溃⑶覍κ偷囊蕾嚦潭冉档?。?022年，全世界的電動汽車將超過3500萬輛。然而，隨著電動汽車相關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵問題是它們的高穿透等原因引起的配電網(wǎng)顯著問題：功率質(zhì)量惡化，增強(qiáng)線的損壞，配電變壓器的不景氣，增加畸變和更高的故障電流。緩解效果的一個有效的方法是局部發(fā)電整合諸如可再生能源（RESS）到EV充電基礎(chǔ)設(shè)施。

1 V2G模式下電動汽車充放電控制策略

1.1 電池可以通過導(dǎo)電或感應(yīng)方法充電

感應(yīng)充電器是無線充電系統(tǒng)（WCS）。WCS可以是固定的，這意味著它們只能在汽車停放或處于固定模式（例如停車場，車庫或交通信號燈）時使用，或者可以動態(tài)使用。后一種方法允許在車輛行駛時給電池充電。通常，WCS可以以美學(xué)質(zhì)量，可靠性，耐用性和用戶友好性的形式帶來一些優(yōu)勢。無論如何，由于一些挑戰(zhàn)，如電磁兼容性（EMC）的問題，有限的電力傳輸，笨重且昂貴的結(jié)構(gòu)，更短的范圍，并且較低的效率，感應(yīng)充電器并未大量商業(yè)化并被用作導(dǎo)電充電器[1]。

1.2 電池充電器可以在所有功率水平下允許單向或雙向功率流

雙向功率流還增加了車輛到電網(wǎng)（V2G）模式，從而增加了電網(wǎng)到車輛的交互（G2V）。后一種技術(shù)可以顯著改善配電網(wǎng)的整體可靠性，因?yàn)樵谙到y(tǒng)故障，峰值負(fù)載需求或其他意外情況下，通過雙向潮流，電動汽車可以用作備用發(fā)電設(shè)備，從而提供能量需要時返回網(wǎng)格。借助V2G，作為所有儲能系統(tǒng)，電動汽車電池不僅可以用作備用資源，還可以改善配電網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量，穩(wěn)定性和運(yùn)營成本。此外，從長遠(yuǎn)來看，V2G能減少新的發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)施。剛剛列出的所有原因都在增加研究人員對該技術(shù)的興趣。

1.3 恒定電流/恒定電壓（CC / CV）和脈沖電流充電方法

在充電過程中，不僅要考慮充電技術(shù)的選擇，而且要選擇正確的充電方法。最流行的充電策略再充電的鋰離子電池是恒定電流/恒定電壓（CC / CV）和脈沖電流充電方法。EV蓄電池和電力電子器件的成本逐步下降。這種快速下降的主要原因是制造業(yè)不斷發(fā)展，制造業(yè)在不斷增加知識，應(yīng)用數(shù)量以及這兩種技術(shù)的改進(jìn)。隨著成本的下降，電動汽車電池能量密度，總重量和半導(dǎo)體器件性能的趨勢正好相反。實(shí)際上，在容量相等的情況下，電池變得越來越小，越來越輕，而電力電子設(shè)備的性能也越來越高。所有這些都會影響充電系統(tǒng)的選擇和尺寸。由于車載充電器和非車載充電器的許多不同技術(shù)的存在，以及成本，尺寸，重量，額定功率的不同，使得合適的充電系統(tǒng)的尺寸確定過程變得更加困難[2]。

1.4 直接功率控制PWM整流器的控制策略

對于三相電壓型PWM變換器的控制，本文提出了在充電操作下采用直接功率控制PWM整流器的控制策略，在放電操作下采用恒功率控制策略。對于雙向DC/DC變換器控制策略，采用外部電壓回路和內(nèi)部電流回路雙閉環(huán)控制。利用PSCAD/EMTDC工具箱對V2G充放電裝置整個系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。實(shí)現(xiàn)了電動汽車與電網(wǎng)的雙向電能和信息交互，降低了電網(wǎng)側(cè)電流諧波，提高了功率因數(shù)和電能質(zhì)量。電動汽車(EVS)將在未來的運(yùn)輸系統(tǒng)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，因?yàn)檫@種技術(shù)對環(huán)境、能源安全和改善燃料經(jīng)濟(jì)性都有希望。

當(dāng)電動汽車處于充電狀態(tài)時，它們是等效負(fù)載。當(dāng)三相PWM整流器處于整流狀態(tài)時，控制網(wǎng)側(cè)電流和電壓的波形是正弦的，且相位相同。功率因數(shù)為1，輸出電壓穩(wěn)定，采用PWM整流器直接功率控制的控制策略。如圖1所示，主要構(gòu)成電壓型整流器的直接控制系統(tǒng)由主電路和相應(yīng)的控制電路組成[3]。

圖1 直接動力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整流器直接功率控制系統(tǒng)采用直流外部電壓回路和內(nèi)部功率回路的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。直流外部電壓回路的控制采用重復(fù)控制，內(nèi)部功率回路根據(jù)電壓側(cè)的測量電壓和瞬時有功功率和無功功率，通過開關(guān)表選擇開關(guān)量，實(shí)現(xiàn)高性能的整流器。重復(fù)控制被添加到基于PI控制的外部電壓控制中，重復(fù)控制和PI控制相結(jié)合的控制策略使控制系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能，保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的控制精度。

在交流電壓RMS相同的情況下，內(nèi)部功率回路采用直接功率控制的方法，控制PWM整流器交流側(cè)在一定范圍內(nèi)的瞬時有功功率和無功功率。為了確定電源電壓的空間矢量，用u確定。然后根據(jù)角度θ的位置確定電壓矢量u的間隔位置。當(dāng)電動汽車處于放電狀態(tài)時，在電網(wǎng)頻率和電壓調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，采用恒功率(PQ)控制策略，總體框圖的PQ控制策略如圖2所示，包括dq轉(zhuǎn)換，鎖相環(huán)(PLL)，電流控制和PWM[4]。

圖2 PQ控制策略的總體框圖

由于d，q軸變量相互耦合，可以采用前饋解耦控制策略，從采樣得到的電壓值和輸出電壓值——(Buck模式下的電池側(cè)電壓和Boost模式下的直流母線側(cè)電壓)，通過電壓PI調(diào)節(jié)器得到內(nèi)環(huán)（電流）控制系統(tǒng)中電感電流的參考值。電感電流誤差值，等于上述電感電流參考值與采樣得到的電感電流的差值，通過電流PI調(diào)節(jié)器后得到電感電壓的參考值。最后，它減去采樣得到的電壓的實(shí)際值，我們通過比較誤差和三角波得到IGBT驅(qū)動信號[5]。

2 結(jié)束語

電動汽車有巨大的潛力，作為能源儲存的電網(wǎng)以及居民在車輛到電網(wǎng)(V2G)或車輛到房屋(V2H)場景?？傊疚奶岢隽艘环N利用同步器技術(shù)和H控制電動汽車充放電的方法∞重復(fù)控制器，采用同步器技術(shù)產(chǎn)生參考電壓，決定充放電端口交流側(cè)電壓的功率角和幅值，從而控制EV與電網(wǎng)之間的潮流。為了保證電動汽車為電網(wǎng)和負(fù)載提供的電能質(zhì)量，當(dāng)電動汽車具有局部負(fù)載時，AH∞設(shè)計了重復(fù)控制器來控制EVS與電網(wǎng)之間的電壓，以跟蹤參考電壓。最后結(jié)果表明，所提出的控制器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)雙向?qū)嵐β屎蜔o功控制，而且在V2G或V2H場景下保持EVS的輸出電壓穩(wěn)定和清晰，同時具有不同的局部負(fù)載。