李春杰 陳心雨 黃文新 趙明偉 張宏濤

(1. 江蘇師范大學電氣工程及自動化學院 徐州 221116；2. 南京航空航天大學自動化學院 南京 211106)

1 引言

電動汽車V2G(Vehicle to grid)技術的應用，實現(xiàn)了電網(wǎng)與電動汽車電池能量的雙向流動，在智能電網(wǎng)發(fā)展中扮演著至關重要的角色[1]。雙向功率變換器則是智能電網(wǎng)與電動汽車能量交換的載體，是實現(xiàn)電動汽車V2G技術的關鍵性設備。

當大規(guī)模電動汽車與電網(wǎng)集成情況下，大量充電機的接入將會帶來充電站面積和成本增大等問題。若采用系統(tǒng)集成技術，就能在一定程度上解決這些問題。目前，傳統(tǒng)雙向功率變換器的研究較多，而集成車載變換器的相關文獻較少。

關于電動汽車充電變換器和驅(qū)動變換器集成方案主要有三種：① 不共享電機繞組，只集成電機驅(qū)動逆變器和充電機的功率模塊[2-4]；② 共享傳統(tǒng)電機繞組，需要將電機繞組中性點引出，同時集成電機繞組、逆變器和充電機的功率模塊[5-6]；③ 共享開繞組電機繞組，同時集成電機繞組、逆變器和充電機的功率模塊[7-9]。

第一種集成充電拓撲沒有集成電機繞組，需要使用額外的儲能電感實現(xiàn)功率因數(shù)校正(Power factor correction，PFC)，不能充分復用驅(qū)動系統(tǒng)的器件，但不需要改動電機結(jié)構(gòu)；第二種集成充電方案對傳統(tǒng)電機繞組的改動較小，充分復用驅(qū)動系統(tǒng)的器件，但實現(xiàn)的充電功率受限；第三種集成充電拓撲充分復用驅(qū)動系統(tǒng)的器件，可以實現(xiàn)較大功率充電，但需要改動電機結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)電機繞組的中性點打開，構(gòu)成開繞組結(jié)構(gòu)形式。

根據(jù)第三種集成方案，文獻[10-11]給出了一種新型的基于V2G技術的集成充電變換器。借鑒此思路，本文也提出了一種基于V2G技術的集成車載變換器。該集成方法簡單，集成的拓撲結(jié)構(gòu)簡單，易于操作實現(xiàn)，且可接入不同形式的電網(wǎng)。本文分析了集成變換器不同模式下的拓撲結(jié)構(gòu)形式，給出了簡單的控制策略，并驗證了集成式雙向變換器的可行性。

2 基于V2G技術的多端口集成車載變換器

電動汽車與電網(wǎng)之間的關系如圖1所示。當電動汽車不行駛時，車載電池可以將電能饋送給電網(wǎng)系統(tǒng)，也可以從電網(wǎng)吸收能量進行充電。車載電池儲存的是直流電，而電網(wǎng)發(fā)出的是交流電，能量形式匹配需要雙向電力電子變換器來完成。

圖1 電動汽車與電網(wǎng)關系

2.1 基于電機繞組的多端口雙向集成變換器

電動汽車電機驅(qū)動變換器(圖2)是由雙三相逆變器和帶中間抽頭的開繞組電機構(gòu)成[7]。而本文討論的單相/三相雙向集成充電變換器是由三相抽頭式開繞組和電力電子變換器構(gòu)成，如圖3所示，具有單相交流充電接口、三相交流充電接口。抽頭式開繞組電機接線端子有9個，分別為A1、A2、B1、B2、C1、C2、AC+、AC?、BAT。當開關ks(c?1)閉合時處于三相充電模式，當開關ks(c?2)閉合時處于單相充電模式。充電時，三相繞組充當變換器中的濾波電感[7]。

圖2 電機驅(qū)動拓撲

圖3 單相/三相集成充/放電變換器

2.2 雙向集成充電變換器拓撲2.2.1 單相集成充電拓撲

當圖3中開關ks(c?2)閉合時，變換器處于單相充電模式；當外部接口kA閉合，交流電連接電機端子AC+、AC?，蓄電池正端連接電機端子BAT，單相充電變換器如圖4所示。動力電池充電拓撲為Boost PFC變換器+Buck變換器。動力電池向電網(wǎng)放電時，拓撲結(jié)構(gòu)為Boost變換器+單相PWM整流器兩級變換。拓撲可以實現(xiàn)能量雙向流動。圖4中陰影部分表示電機繞組，充當濾波電感。

圖4 單相集成充電拓撲

2.2.2 三相集成充電拓撲

當圖3中開關ks(c?1)閉合時，變換器處于三相充電模式；當外部接口kA閉合，三相電分別連接電機端子AC+、AC?、BAT，三相充電變換器如圖5所示，電池充電時可以簡化為三相PWM整流器，放電時可以簡化為三相PWM逆變器，因此，充電變換器是一個能量雙向變換器。

圖5 三相集成充電拓撲

3 控制策略

3.1 單相V2G控制策略

圖6a給出了電池充電控制策略，前級采用了上升沿單周期控制方法，后級采用了電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)控制。圖6b給出了電池向電網(wǎng)饋送能量的控制策略，同樣采用了單周期控制方法[12]。

圖6 單相充電機V2G控制策略

3.2 三相V2G控制策略

圖7a給出了電池充電控制策略，采用了電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制，其中，電流環(huán)采用了預測電流控制[13]。圖7b給出了電池向電網(wǎng)饋送能量的控制策略，采用了模型電流預測控制方法[14]。

圖7 三相充電機V2G控制策略

圖7中的模型電流預測控制分析如下。

假定三相電網(wǎng)電壓平衡，三相變換器網(wǎng)側(cè)電流在靜止αβ坐標系下的動態(tài)方程為

式中，isα、isβ分別為三相逆變器網(wǎng)側(cè)電流在αβ坐標系下α、β分量；uα、uβ分別為三相變換器產(chǎn)生的電壓在αβ坐標系下α、β分量；usα、usβ分別為電網(wǎng)電壓在αβ坐標系下α、β分量；Rs為線路和電感總內(nèi)阻。

對式(1)進行離散化，可得

式中，Ts為采樣周期。

由式(2)可得在靜止αβ坐標系下的預測電流值為

三相網(wǎng)側(cè)電流在dq坐標系下，預測電流值為

根據(jù)式(3)、式(4)，輸出tk+1時刻的電流isd(k+1)、isq(k+1)能被預測。

當預測tk+1時刻的電流isd(k+1)、isq(k+1)后，應構(gòu)造一個代價函數(shù)g去評估三相變換器各個電壓矢量，找出使代價函數(shù)最小的電壓矢量，并作為下一個采樣周期的電壓矢量。

構(gòu)造最小化代價函數(shù)g為

根據(jù)式(1)～(5)構(gòu)建V2G模型電流預測控制。

4 仿真分析

4.1 單相集成變換器

根據(jù)上述的拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略，采用Matlab Simulink軟件搭建了集成式雙向變換器仿真模型，圖8和圖9分別給出了充電和并網(wǎng)模式下的仿真結(jié)果。

仿真模型利用電阻模擬電池充電，圖4所示的充電拓撲網(wǎng)側(cè)電壓和網(wǎng)側(cè)電流波形如圖8a所示，總諧波電流畸變系數(shù)THD為3%左右。經(jīng)過Boost PFC變換器，直流母線電壓穩(wěn)定在400 V，如圖8b所示。后級buck變換器采用了恒壓控制，輸出負載變化時，輸出電壓仍穩(wěn)定在300 V，如圖8c所示。

圖8 充電波形

動力電池向電網(wǎng)饋送能量時，利用直流電源模擬動力電池，仿真波形如圖9所示。電池電壓變化時，輸入電流和輸入電壓波形如圖9a所示，直流母線電壓仍能穩(wěn)定在400 V，波形如圖9b所示。并網(wǎng)電壓、電流波形如圖9c所示，并網(wǎng)電流THD在4%以內(nèi)。

圖9 單相并網(wǎng)波形

4.2 三相集成變換器

充電時，用電阻模擬動力電池，三相PWM整流器仿真結(jié)果如圖10所示。網(wǎng)側(cè)電壓、電流波形如圖10a所示。網(wǎng)側(cè)電流的THD為3.57%左右，如圖10b所示。負載變化時，三相網(wǎng)側(cè)電流波形如圖10c所示，輸出電壓和輸出電流波形如圖10d所示，電壓仍能穩(wěn)定在600 V。

圖10 三相充電波形

電池向電網(wǎng)放電時，三相逆變并網(wǎng)仿真結(jié)果如圖11所示。圖11a為模擬的電池電壓動態(tài)波形，電池電壓由600 V降為550 V，并網(wǎng)電壓、電流波形如圖11b所示，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓基本同相位，正弦度較高，并網(wǎng)電流THD為4%左右，如圖11c所示。并網(wǎng)電流峰值由20 A降為10 A變化時，如圖11d所示，并網(wǎng)電流能夠很好地跟蹤給定電流，且正弦度較高。

圖11 三相并網(wǎng)波形

5 試驗結(jié)果

以單相集成變換器為例，圖12給出了試驗波形。表1給出了永磁同步電機參數(shù)和充電參數(shù)。圖12a為充電網(wǎng)側(cè)電壓和電流波形，電流波形和電壓波形基本同相位，電流總諧波畸變系數(shù)在5%以內(nèi)，功率因數(shù)達98%以上，滿足電網(wǎng)要求。圖12b為充電電壓波形，穩(wěn)定在400 V。圖12c為模擬的并網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流試驗波形，設電池電壓為200 V，經(jīng)過boost變換器升壓至直流電壓400 V，經(jīng)H橋逆變器并網(wǎng)，并網(wǎng)電流正弦度較高，與并網(wǎng)電壓相位基本一致。試驗過程中電機始終保持靜止狀態(tài)。

圖12 試驗波形

6 結(jié)論

本文給出了一種低成本、結(jié)構(gòu)簡單的多端口雙向集成車載變換器。通過引入集成技術，利用三相中間抽頭式開繞組電機驅(qū)動系統(tǒng)集成雙向充電變換器，該集成方法簡單，易于實現(xiàn)，且具有單相、三相充電接口，充電方便。集成的充電變換器既可實現(xiàn)給電池充電又可以實現(xiàn)電動汽車電池給電網(wǎng)饋送能量。本文分析了集成式拓撲結(jié)構(gòu)的單相、三相充電模式，采用了預測電流控制方法，搭建了仿真模型，給出了仿真和試驗結(jié)果，驗證了雙向集成變換器是可行的。