，，

(1.國(guó)網(wǎng)甘肅電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730000；2.沈陽(yáng)工程學(xué)院電力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

1 引言

當(dāng)前隨著全球化石燃料的枯竭，以及環(huán)境污染等問(wèn)題，風(fēng)電、光伏等可再生能源越來(lái)越受到人們的重視。微電網(wǎng)的建立使得這些能源得到有效利用，由于分布式電源功率的不確定性，對(duì)電能質(zhì)量會(huì)造成不良影響。而當(dāng)前儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效解決這一問(wèn)題，但儲(chǔ)能系統(tǒng)的費(fèi)用過(guò)高同時(shí)會(huì)造成微電網(wǎng)建設(shè)成本過(guò)高。

電動(dòng)汽車的發(fā)展帶來(lái)了新的契機(jī)，讓閑置的電動(dòng)汽車作為電源穩(wěn)定微網(wǎng)的電壓頻率的穩(wěn)定，降低儲(chǔ)能成本，成為一個(gè)值得研究的課題。本文為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，設(shè)計(jì)了雙向交流充電裝置，既可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電池的電流雙向流動(dòng)，讓其作為移動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)，對(duì)微電網(wǎng)的電壓頻率波動(dòng)進(jìn)行平抑，減輕微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，提高微電網(wǎng)的電能質(zhì)量，又可以作為負(fù)載充電，為汽車提供電能。

2 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制原理

本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車充電樁采用三相電壓型橋式逆變電路與雙向半橋變換電路級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。直流側(cè)的控制基于雙向DC/DC變換器電路的電流環(huán)控制，作為充放電控制器，起到傳遞能量的作用。首先對(duì)雙向半橋變換器分析，當(dāng)變換器升壓放電時(shí)，S7保持關(guān)斷的狀態(tài)，S8保持開關(guān)狀態(tài)，把電能送到直流母線上，由AC-DC換流器送到微電網(wǎng)。變換器降壓充電時(shí)S8保持關(guān)斷的狀態(tài)，S7保持開關(guān)狀態(tài)，電能由直流母線傳遞到蓄電池。

圖1 充電樁等效電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)狀態(tài)平均法對(duì)變換器建立控制模型，對(duì)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)加入擾動(dòng)可以得到小信號(hào)模型。

變換器工作在BOOST升壓放電狀態(tài)下：

(1)

(2)

變換器工作在BUCK降壓充電模式下：

(3)

(4)

(5)

其中，Gvi(S)是占空比到電壓傳遞函數(shù)；GLD(S)是占空比到電流環(huán)的傳遞函數(shù)，Gvd(S)是輸入電壓到輸出電壓的傳遞函數(shù)。D為IGBT開關(guān)開通的占空比，D′為開關(guān)關(guān)斷的時(shí)間占空比，R1為電池充電時(shí)變換器輸出端的等效電阻，R2為電池放電時(shí)變換器輸出端的等效電阻。

交流側(cè)DC-AC電路結(jié)構(gòu)中，根據(jù)基爾霍夫電壓定律建立回路方程并整理可得：

(6)

定義開關(guān)函數(shù)Sk為：

(7)

則電壓vaN、vbN、vcN可以表示為：

(8)

代入后，對(duì)變量進(jìn)行P-Q分解可得：

(9)

添加電流擾動(dòng)與開關(guān)函數(shù)擾動(dòng)可以得到小信號(hào)等小模型：

(10)

該式為換流器基于瞬時(shí)功率理論的p-q分解的小信號(hào)控制模型。

3 控制策略

3.1 DC-DC變換器導(dǎo)通策略

充電樁雙向?qū)〞r(shí)，電動(dòng)車電池此時(shí)轉(zhuǎn)變成微電網(wǎng)儲(chǔ)能，可以給微電網(wǎng)放電，平抑微網(wǎng)功率波動(dòng)，提高電能質(zhì)量。此時(shí)，變換器采用基于互補(bǔ)PWM控制方式的雙閉環(huán)控制。外環(huán)采用電壓控制，用來(lái)穩(wěn)定充電樁直流母線的電壓?？刂撇呗匀鐖D2所示。

圖2 DC-DC變換器雙向控制策略

圖中：

(11)

當(dāng)電動(dòng)汽車電池作為負(fù)載進(jìn)行充電時(shí)，鑒于電池本身的特性以及人們對(duì)充電時(shí)間的要求。不僅要做到對(duì)電池本身壽命的影響降到最低，同時(shí)還要縮短電池充電時(shí)間。本設(shè)計(jì)采取恒流充電、恒壓充電與恒功率三種模式?？刂撇呗匀鐖D3所示，恒流充電采用單電流環(huán)控制，保證充電電流不變；恒壓充電采用外環(huán)電壓內(nèi)環(huán)電流控制的雙環(huán)控制，保證充電電壓穩(wěn)定。正常情況下在電池電荷過(guò)低時(shí)會(huì)采用恒流充電，達(dá)到一定狀態(tài)時(shí)切換到恒壓充電模式。恒功率充電適合快充，是對(duì)急需用電的汽車采用的一種充電方式，但對(duì)電池的損耗較大。

圖3 DC-DC變換器雙向控制策略

3.2 AC-DC逆變器導(dǎo)通策略

AC-DC換流器雙向?qū)〞r(shí)，為了使電動(dòng)汽車做到即插即用，本文對(duì)充電樁的換流器部分采用下垂控制與P/Q控制兩種模式，在下垂控制模式下充電樁與微電網(wǎng)本身的儲(chǔ)能系統(tǒng)形成對(duì)等控制。控制策略如圖4所示。

圖4 AC-DC逆變器下垂控制策略

微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)與電動(dòng)汽車電池的功率分配，可調(diào)節(jié)下垂因數(shù)來(lái)進(jìn)行協(xié)調(diào) ，下垂因數(shù)由式(12)可得：

(12)

式中，pmax、Qmax分別為換流器在頻率下降時(shí)允許輸出的最大功率與電壓下降時(shí)最大允許的輸出無(wú)功功率，pn、f0為額定輸出功率分別為額定的輸出功率與系統(tǒng)正常運(yùn)行的額定頻率。

在P/Q控制模式下，充電樁可以根據(jù)設(shè)定的功率參考值進(jìn)行恒功率放電，其控制策略如圖5所示。

圖5 AC-DC逆變器P/Q控制策略

當(dāng)電動(dòng)汽車電池作為負(fù)載充電時(shí)，AC-DC換流器采用恒直流電壓無(wú)功功率控制器結(jié)構(gòu)，設(shè)定Qref=0,用直流電壓Udc與參考值Udcref代替了傳統(tǒng)AC-DC換流器的P/Q控制中的有功功率控制通道，從而轉(zhuǎn)變成直流電壓控制通道，穩(wěn)定直流母線電壓，以保證DC-DC變換器的正常工作，控制策略如圖6所示。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證策略的有效性，搭建了微電網(wǎng)與充電樁的SIMULINK仿真模型。微電網(wǎng)模型包含風(fēng)機(jī)，光伏等分布式電源，額定輸出功率20W。該充電樁模型由BOOST-BUCK電路與三相全橋整流電路以及LC濾波器組成。采樣數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)運(yùn)算，最終經(jīng)過(guò)PWM模塊得到變換器與換流器的控制信號(hào)，控制系統(tǒng)包含本文設(shè)計(jì)的策略。表1為本模型的仿真參數(shù)。

圖6 AC-DC逆變器單向控制策略

項(xiàng)目仿真參數(shù)交流電壓380V直流電壓800V鋰電池容量10Ah換流器開關(guān)頻率20kHz

4.1 充電樁雙向?qū)〞r(shí)仿真

雙向?qū)〞r(shí)電動(dòng)汽車作為微電網(wǎng)的儲(chǔ)能裝置。當(dāng)微電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行模式時(shí)，微電網(wǎng)本身的儲(chǔ)能系統(tǒng)在下垂模式下運(yùn)行。此時(shí)，電動(dòng)汽車充電樁的變換器部分采用外環(huán)電壓內(nèi)環(huán)電流控制，逆變器部分采用下垂控制接入微電網(wǎng)。仿真中設(shè)定微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)下垂控制的額定功率pn.battery=20kW,充電樁的額定功率pn.car=10kW。

圖7為微電網(wǎng)孤島運(yùn)行下各部分功率的仿真波形，截取0.2～1s時(shí)間段內(nèi)分析。由功率平衡可知負(fù)載消耗的功率為微電網(wǎng)與儲(chǔ)能共同發(fā)出的功率。微電網(wǎng)分布式電源發(fā)出功率具有不確定性，在20kW附近震蕩，負(fù)載穩(wěn)定在32kw,儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑的功率在8～12kW之間，由于電動(dòng)汽車電池容量較小，釋放的電能功率在0～4kW之間。由于都是采用下垂控制，二者功率存在線性關(guān)系，驗(yàn)證了電動(dòng)汽車可以為微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)分擔(dān)一部分功率的效果。

圖7 雙向?qū)〞r(shí)微電網(wǎng)各部分功率

4.2 充電樁單向?qū)ǚ抡?/h3>

充電樁單向?qū)〞r(shí)，電動(dòng)車電池作為負(fù)載充電，充電時(shí)三種充電模式均采用PI無(wú)差調(diào)節(jié)，充電電流具有很強(qiáng)的抗干擾能力，不受變換器輸入端電流電壓的影響。通過(guò)SIMULIK仿真平臺(tái)對(duì)這三種策略其進(jìn)行仿真驗(yàn)證，所得結(jié)果如下圖所示。

圖8 恒流充電

圖9 恒壓充電

圖10 恒功率充電

如圖8所示恒流充電，設(shè)置參考電流值20A，充電電流在經(jīng)過(guò)7s波動(dòng)后趨于穩(wěn)定。圖9所示為恒壓充電，設(shè)置參考電壓值400V，圖10為恒功率充電，設(shè)置參考功率為1500W。圖下方均為對(duì)應(yīng)充電模式下鋰電池的電荷狀態(tài)。綜合以上仿真可以看出，在充電狀態(tài)下的策略是可行有效的。

4.3 充電樁切換對(duì)于微電網(wǎng)的影響

該仿真過(guò)程中微電網(wǎng)處于離網(wǎng)運(yùn)行，設(shè)定在0.3s時(shí)充電樁接入微網(wǎng)，此時(shí)充電樁采用下垂控制模式，與微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)一起平抑微電網(wǎng)的功率波動(dòng)，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11為電動(dòng)汽車電池充電樁以雙向?qū)ǖ墓ぷ鳡顟B(tài)接入微電網(wǎng)時(shí)，微電網(wǎng)各部分的功率?？梢钥闯龀潆姌对?.3s接入微電網(wǎng)時(shí)，微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)與電動(dòng)汽車電池的功率在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)波動(dòng)，但是由圖12可知，此波動(dòng)不會(huì)影響微電網(wǎng)的電壓大小，出現(xiàn)的沖擊電流時(shí)間非常短暫且在可接受范圍內(nèi)。由此可以得出，當(dāng)電動(dòng)汽車以儲(chǔ)能模式采用下垂控制接入微電網(wǎng)時(shí)，對(duì)微電網(wǎng)的正常運(yùn)行不會(huì)造成影響。

圖11 微電網(wǎng)雙向切入時(shí)各部分平抑功率

圖12 雙向切入時(shí)微電網(wǎng)電壓、充電電流

當(dāng)電動(dòng)汽車作為負(fù)載接入孤島運(yùn)行的微電網(wǎng)在0.1s接入微電網(wǎng)進(jìn)行充電時(shí)，接入的瞬間引起了整個(gè)微電網(wǎng)的功率波動(dòng)，但時(shí)間極為短暫，對(duì)應(yīng)圖14中的微網(wǎng)電壓波形幾乎不受影響,說(shuō)明本文的充電策略可行。

圖13 單向切入時(shí)各部分平抑功率

圖14 單向切入時(shí)微電網(wǎng)電壓、充電電流

5 結(jié)論

本文針對(duì)微電網(wǎng)與電動(dòng)汽車的結(jié)合，提出并設(shè)計(jì)了一種基于微電網(wǎng)下的電動(dòng)汽車充電樁，利用不同的控制策略實(shí)現(xiàn)了充電樁單雙向的切換，實(shí)現(xiàn)了利用電動(dòng)汽車作為微電網(wǎng)移動(dòng)式儲(chǔ)能。建立了微電網(wǎng)與充電樁的仿真模型驗(yàn)證了充電樁的可行性，為未來(lái)電動(dòng)汽車在微電網(wǎng)下的充電樁的設(shè)計(jì)提供了借鑒。

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