功率可擴(kuò)展的V2G充放電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

牛高遠(yuǎn) 孟凡提 劉苗苗 張逸群

摘 要：針對目前電動汽車V2G充電樁單接口的充放電功率恒定、無法擴(kuò)展的問題，設(shè)計(jì)一種雙回路雙接口的V2G充放電系統(tǒng)，采用在功率模塊直流側(cè)進(jìn)行功率投切控制的方式，使得充放電系統(tǒng)突破單接口額定功率的限制，有效進(jìn)行充放電功率擴(kuò)展。樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，充放電系統(tǒng)能夠根據(jù)后臺指令，控制相應(yīng)的接觸器投切動作，完成回路間功率模塊調(diào)用，準(zhǔn)確響應(yīng)后臺功率需求，輸出擴(kuò)展后的充放電功率。

關(guān)鍵詞：V2G；充電樁；功率；擴(kuò)展；設(shè)計(jì)

0 引言

我國新能源電動汽車保有量日益增多，作為“新基建”之一的充電樁是連接電動汽車和電網(wǎng)之間的關(guān)鍵設(shè)備，能夠?yàn)殡妱悠囂峁┏潆姺?wù)。但在用電高峰期電動汽車集中充電時(shí)，能量的單向流動勢必會造成負(fù)荷曲線“峰上加峰”，導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)擔(dān)進(jìn)一步加重，威脅設(shè)備和電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行[1]。以靈活化、網(wǎng)聯(lián)化為特征的電動汽車作為未來能源互聯(lián)網(wǎng)的儲能終端，也是智能電網(wǎng)的重要組成部分，為了最大程度利用電動汽車蓄電池移動儲能的特性[2]，眾多學(xué)者研究了V2G充放電系統(tǒng)[3-4]，它突破了傳統(tǒng)充電模式限制，使得“車-樁-網(wǎng)”之間能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向友好互動。車輛閑置電能可通過V2G充電樁為電網(wǎng)提供需求響應(yīng)、調(diào)峰調(diào)頻、促進(jìn)新能源消納等輔助服務(wù)，成為近年來的研究熱點(diǎn)[5-6]，且已出現(xiàn)相關(guān)V2G充電樁產(chǎn)品和應(yīng)用示范站點(diǎn) [7]。

然而，從市場調(diào)研情況看[8]，目前市面上的V2G充電樁內(nèi)部只設(shè)置有V2G功率模塊，雖然實(shí)現(xiàn)了雙向能量互動，但單接口的最大充放電功率由該接口所分配的模塊個(gè)數(shù)決定，是恒定功率值，導(dǎo)致充電和放電功率均無法擴(kuò)展，限制了為車主提供更靈活、高效的充放電服務(wù)能力?；诖?，本文設(shè)計(jì)一種雙回路雙接口的V2G充放電系統(tǒng)，每個(gè)回路分配有相同數(shù)量的充電功率模塊和V2G功率模塊，且在每個(gè)模塊直流側(cè)設(shè)計(jì)有投切接觸器，和母線僑聯(lián)接觸器，雖然單接口額定功率一定，但可通過回路間的功率模塊借用的方式，實(shí)現(xiàn)充電和放電功率的擴(kuò)展。

1 V2G充放電系統(tǒng)架構(gòu)

設(shè)計(jì)的V2G充放電系統(tǒng)為對稱的雙回路形式，圖1為系統(tǒng)原理架構(gòu)示意圖，1#和2#回路為獨(dú)立的系統(tǒng)，主要包括交流配電及計(jì)量單元、功率變換單元、直流接觸器單元、直流母線、直流配電及計(jì)量單元、充放電控制器等6個(gè)核心組成單元。以1#充放電回路為例，每個(gè)單元的作用及配置如下。

（1）交流配電及計(jì)量單元

該單元包括1臺交流斷路器1QF1、1臺交流接觸器1KM1和1臺雙向交流電表1PJ，主要實(shí)現(xiàn)交流側(cè)并網(wǎng)控制和短路保護(hù)功能，并對交流側(cè)的充電和放電電量進(jìn)行雙向計(jì)量，為充電站運(yùn)營商和電網(wǎng)結(jié)算提供計(jì)量依據(jù)。

（2）功率變換單元

該單元共配置3臺功率變換模塊，其中包括1#和2#普通充電功率模塊，分別為1AU1和1AU2，該充電模塊只能實(shí)現(xiàn)充電功能，額定充電功率均為20 kW；1臺V2G功率模塊為1AU3，該模塊具備雙向能量變換功能，根據(jù)指令可實(shí)現(xiàn)充電或放電，額定充放電功率為20 kW。

（3）直流接觸器單元

該單元在每個(gè)功率變換模塊的直流側(cè)，各配置2個(gè)投切直流接觸器，方便通過控制器進(jìn)行功率投切控制，其中模塊1AU1、1AU2和1AU3分別通過直流接觸器1K1/1K2、1K3/1K4、1K5/1K6連接至直流母線L1和L2。當(dāng)1#回路需要調(diào)用1AU1功率模塊時(shí)，則控制器控制直流接觸器1K1閉合，從而可將其輸出功率投切至直流母線L1上，其他功率模塊具有相同的投切機(jī)制。若1#或2#回路之間需要擴(kuò)展功率而借用模塊時(shí)，除了應(yīng)閉合相應(yīng)模塊的投切接觸器外，還需閉合直流母線L1或L2的僑聯(lián)接觸器KQ1或KQ2。

（4）直流母線

L1、L2分別為1#回路和2#回路的直流母線，一般情況兩條母線中間通過僑聯(lián)接觸器KQ1或KQ2進(jìn)行分?jǐn)?，形成兩個(gè)完全獨(dú)立的回路，各功率變換模塊可將自身功率投切至需要并入的母線。

（5）直流配電及計(jì)量單元

該單元包括1臺直流輸出接觸器1K4、1臺熔斷器1R1、1臺分流器1F1、1臺雙向直流電度表1PZ和1個(gè)接口連接器1XS，主要實(shí)現(xiàn)直流側(cè)通斷控制、直流側(cè)過載及短路保護(hù)、直流變換能量的雙向計(jì)量，并提供充放電系統(tǒng)與車輛之間的連接接口。其中1K4受控于充放電控制器，連接直流配電設(shè)備和直流母線；1PZ通過采集母線電壓和分流器電壓數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)直流計(jì)量，為車主結(jié)算提供依據(jù)；1XS設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)的連接器插頭。

（6）充放電控制器

充放電控制器AM主要與各功能單元之間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，其通過開入或開出接口，實(shí)現(xiàn)對交直流配電設(shè)備、各直流接觸器的狀態(tài)控制和采集；通過RS485通訊實(shí)現(xiàn)對交流和直流電表的計(jì)量數(shù)據(jù)采集，并加密后上傳至運(yùn)營后臺；通過CAN通訊實(shí)現(xiàn)對各功率變換模塊的功率指令下發(fā)和電壓、電流、功率等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和狀態(tài)獲取，且可通過CAN通訊與車輛蓄電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）交互充放電流程和功率需求數(shù)據(jù)。

2 充放電功率擴(kuò)展模式

由圖1中1#和2#回路配置的功率模塊可知，每個(gè)回路直流側(cè)的額定放電功率由1臺V2G功率模塊決定，額定值為20 kW；直流側(cè)的額定充電功率由2臺功率模塊和1臺V2G功率模塊決定，額定值為60 kW。若某一時(shí)刻，后臺下發(fā)或車輛BMS需求的充電或放電功率大于額定值，或大于當(dāng)前可用模塊的總功率，則需要通過2個(gè)回路之間功率擴(kuò)展的方式，滿足后臺或車輛需求。功率擴(kuò)展模式主要有兩種，以下以1#回路為例對每種模式進(jìn)行分類分析。

2.1 充電模式時(shí)的功率擴(kuò)展

（1）設(shè)1#回路中需要擴(kuò)展的充電功率為PC，單位為kW。若0

（2）若20（3）若40