基于V2G技术的电动汽车充放电站系统描述

张真 梁凤强 徐林

引言

世界原油价格的攀升和环境恶化的压力，使电动汽车产业的发展受到民众的普遍关注。随着电池技术的突破和政策扶持，电动汽车技术和产业得到迅速发展。预计到2020年，仅上海市电动汽车市场规模可达约35万辆，电动汽车将成为电网负荷中非常重要的一部分。电动汽车并网技术（Vehicle to Grid， V2G）是面向电动汽车与电网能量双向流动的技术，运用电池管理技术、通信、调度和需求侧管理等一系列技术，实现电动汽车充电和放电的可控化。其核心思想就是让电动汽车发挥储能元件的作用，用于电网调峰调频，并提高电网对可再生能源发电的接收能力。国内外学者对V2G可行性的论证很早已经展开，2005年，美国特拉华大学的Willett Kempton对V2G的容量计算和净收益问题做了研究。研究表明，V2G的工程原理和经济利益是引人注目的；对V2G的容量计算和净收益问题做了研究，表明V2G具有巨大的储能潜力和经济效益；当前国内电动汽车的应用范围和发展方向集中在公交车和出租车等公共交通领域。这些公用乘务车的显著特点是管理集中化，可以在建设大型充电站时，将集中式的V2G技术用于充电站，构成V2G充电站。相对于分散的电动汽车个体，V2G充电站采用统一调度和集中管理，V2G汽车单体的接入水平高，利用特定的管理策略，可以实现成本最低和互动效果最优。

1、V2G充电站系统构成

实现V2G功能是一个复杂完备的系统工程，包括充放电计划和调度策略的制定，与电网之间协调和通信，站内实时数据采集、通信、监控和保护，以及完成能量传递的电气主回路。

现有典型的充电站系统包括以下部分：

（1）交流侧供配电系统：大型充电站属于2级负荷，系统容量可达到MVA等级，供电电压等级通常为10kV，且采用双路供电接线方式。配电变压器将10kV侧转换为380V/220V低压，供给充电设施和办公、照明、监控设备 （3）充电机：充电机将380V交流电整流为直流电，供给动力电池充电使用，电池的充电模式不同，充电机的输出电压电流波形也不同。（4）滤波和无功补偿装置：充电机内含大量电力电子设备，滤波器和无功补偿的作用是隔离充电机工作对交流系统的谐波影响，提高系统功率因数和充电机效率。（5）信息管理系统：主要包括V2G控制中心、后台管理系统、电池管理系统（BMS，Battery Management System）、人机界面等；（6）充电站监控与保护系统：V2G充电站监控与保护系统由站控层和间隔层组成。间隔层提供供电系统、充电机及安防终端设备的数据采集和控制功能。站控层提供站内运行各系统的人机界面，管理控制站内各种自动化设备，形成全站管理中心。电动汽车进入V2G充电站后与充电机相连，设定电池荷电量上下限和互动时间，然后按站控层调度指令完成充放电行为。现有充电站仅考虑给电动汽车充电，能量的流动是单向的，为节约V2G充电站的建设成本，可以在现有充电站的基础上进行一定的技术和设备改造。为达到充放电可同时独立进行的目的，V2G充放电站需要同时配置充电母线和放电母线。

在充放电设备的选择上，如果不改变原有充电机，再并入相应台数的放电机，对系统结构的改变较小，能流控制简单，增加充电站容量不会改变；也可新增双向充放电机，这种改造能够适应电动汽车数量的增多，提高V2G充电站的运营水平，增大系统的总容量。

V2G充电站整体电气结构如图1-1。

图1-1 V2G充电站整体结构图

2、V2G充电站控制策略和仿真模型

V2G充电站选用一体式充放电机，其拓扑结构如图2-1所示，AC/DC换流单元采用三相电压型PWM桥式电路，为实现有功和无功控制，在电压电流解耦的基础上采用电压电流雙闭环控制。调制方式选用SVPWM方式，IGBT器件的开关频率降低，提高了系统的功率因数和效率。DC/DC双向变换器由Buck-Boost电路组成，在充电时工作在降压状态；放电时，工作于升压状态。

图2-1 V2G充电机拓扑结构图

由于篇幅限制，各控制环节的PI参数和其他参数的设计过程省略，最终得到充放电机仿真模型如图所示，其中，AC/DC换流模块电路选用Simulink中自带的Universal bridge模拟四象限变流器，Control Unit为充电机的控制模块，控制器控制有功无功以及电压电流，实现了蓄电池的并网和交直流系统间的功率交换。各控制环节的PI参数和其他参数的设计过程省略，最终得到充放电机仿真模型，考虑充电站内包含多台充放电机并联运行，本文搭建了包含两台充放电机的V2G充电站仿真模型，用来模拟充放电机的并联运行。Part1、Part2即为两台充放电机工作模块，三相电压源代替10kV进线母线，配电变压器采用Yd11接线方式，将进线10kV电压降至380V供充放电机工作使用。

3、总结

本文针对V2G充电站主电路结构，设计了V2G充电站模型，并在Matlab/Simulink仿真软件中模拟了充放电过程。V2G充电站是一个新型的概念，对V2G充电站和其对所接入配电网的影响的研究将是智能配电网研究领域的热门方向。

（作者单位：山东理工大学电气与电子工程学院）