一种基于V2G技术的电动汽车充电桩的充放电控制策略

裴荣娜，郭兴众，徐黄华，殷　松，张巧林（安徽工程大学安徽省检测技术与节能装置重点实验室，安徽芜湖　241000）

一种基于V2G技术的电动汽车充电桩的充放电控制策略

裴荣娜，郭兴众∗，徐黄华，殷松，张巧林
（安徽工程大学安徽省检测技术与节能装置重点实验室，安徽芜湖241000）

根据电动汽车充电桩的特殊要求，选择了V2G充电桩的主电路拓扑，由三相电压型PWM整流器与双向DC/DC变换器组成.首先，分析三相电压型PWM整流器的工作原理和数学模型，采用一种新型的控制策略，即dq同步旋转坐标系下的电压电流双闭环的电压空间矢量控制策略.其次，分析双向DC/DC变换器的工作原理.最后，在Matlab/Simulink仿真环境下搭建了整个系统的仿真模型，并对其仿真结果进行分析研究，证明该模型能够实现V2G功能.

V2G；电动汽车充电桩；PWM整流器；双向DC/DC变换器；电压电流双闭环；空间矢量控制

随着现代科技的不断发展进步，电动汽车的数量大幅度增加，充电桩的规模也随之增大.V2G意为能量在电网与电动汽车之间的双向流动，即电网和电动汽车之间可以实现能量和信息的双向交换［1］.它拓展了新能源的利用，让人类更好地享受电能的优势，向着节约、环保型社会发展.

电动汽车充电桩的结构形式主要有两种，第一种由二极管整流器和斩波器组成，另一种由不可控制的整流器和DC/DC变换器组成，这两种结构形式的充电桩不能实现能量从电动汽车向网侧流动，且谐波治理也不好［2］.研究提出基于V2G技术的电动汽车充电桩，其结构主要由两部分组成，即双向DC/DC变换器和三相半桥电压型PWM整流器.这种结构形式的充电桩可以把电网和电动汽车连接起来，且当电网非常不稳定时，能量可以从电动汽车回馈到电网，使得电网的稳定性能和安全性能大幅度地提高.充电桩在充电过程中，电网侧电流为正弦，且其相位与电网电压的相位是相同的；充电桩在放电过程中，电网侧电流也为正弦，但其相位与电网电压是相反的，即相差180°.直流母线电压非常稳定，系统的动态性能也很好，并且可以实现单位功率因数校正.

1　基于V2G技术的电动汽车充电桩的主电路拓扑结构

基于V2G技术的电动汽车充电桩的主电路拓扑结构主要由三相半桥电压型PWM整流器和双向DC/DC变换器组成［3］，电池选用的是锂离子电池.其拓朴结构如图1所示.

1.1双向PWM整流器

三相半桥电压型PWM整流器是一种双向的PWM整流器，具有电网侧的电压和电流的波形都是正弦波、可以实现能量的双向流动、动态响应非常快和稳态性能好等优点.当双向PWM整流器工作在整流状态时，能量由电网侧流向双向PWM整流器，电网侧电流为正弦，且其相位与电网电压的相位是相同的；当双向PWM整流器工作在有源逆变状态时，此时电动汽车蓄电池中储存的能量就会回馈到电网中［4-5］，从而证明能量是可以双向流动的，这时电网侧的电压和电流波形也是相同的，都是正弦的波形，但它们的相位却是相反的.

1.2双向DC/DC变换器

双向DC/DC变换器具有动态响应快、能量转换效率高、使用功率器件少等优点.对于双向DC/DC变换器，采用的是一种PWM的控制策略，通过控制开关的关闭和导通得以实现.当充电桩对电动汽车蓄电池充电时，即开关S1是导通的，而开关S2始终是关闭的，这时双向PWM整流器工作在整流状态，双向DC/DC变换器这时处在降压时刻，能量由电网侧流向了蓄电池.当蓄电池进行放电的时候，开关S1一直是关闭的，而开关S2是导通的，双向DC/DC变换器正处于升压时刻，双向PWM整流器工作在有源逆变状态，储存在电池中的能量经过双向PWM整流器回馈到了电网.

1.3充电方式

电动汽车充电一般采用慢充或快充［6］.慢速充电的电流很小，充电的时间一般为5～8 h.快速充电则用较大的电流在极短时间内给电动汽车充电，充电效率非常高，但快速充电的前提是一定不能损害电池.一般充电电流为150～400 A，充电时间为2 min～2 h.研究采用快速充电的充电方式.

图1　基于V2G技术的电动汽车充电桩的主电路的拓扑结构

2　电动汽车充电桩的数学模型的建立及充电放电控制策略的分析研究

根据基尔霍夫电压的定律，由图1中拓朴结构得到静止坐标系下数学模型的表达式［7］：

式中，ia、ib和ic是电网侧三相交流电流；ua、ub和uc是电网侧的电压；cd是直流侧电容；Ls是等效电阻；Ed是直流电动势；uAN、uBN、uCN分别为a点、b点和c点相对于N点的电压；uNO为N点O点中间的电压.

在三相静止坐标系下，很容易就可以看到电流和电压这些物理量，但是交流侧的电压和电流一直是变化的［8］，因而难以设计出PI控制器.为了解决这个问题，必须将交流量转换成直流量，经过dq同步旋转坐标系的旋转变换可以直观地看到这些直流量，降低了PI控制器的设计难度.

在同步旋转坐标下建立双向PWM整流器的数学模型表达式为：

锁相环PLL锁定电网的相位同时为电流的调制波、ab c到dq变换、dq到abc变换提供了相角.采用前馈解耦控制的方法可以解除这种耦合，在转化的过程中要把电流变量id、iq作为独立的直流变量进行控制.为了保证系统良好的动态性能和稳态性能，采用了电流内环的调节器来进行调节，那么就可以得到电流调节器的方程：

式中，U∗d和U∗q分别为d轴和q轴这两个轴的电压设定值；i∗d和i∗q分别为d轴和q轴这两个轴的电流设定值.将式（3）代入式（2）可得：

对三相半桥电压型PWM整流器采用一种电压电流双闭环的电压空间矢量控制策略.为了保证系统具有良好的控制精度和稳态性能，这种控制策略用PI调节器来控制电压外环和电流内环.采用空间电压矢量这种控制策略比固定开关频率PWM和滞环控制都优越，系统不但动态响应快，同时提高了直流电压的利用率.采用这种控制策略，首先要获得一个准圆形的旋转磁场，通过双向PWM整流器电压矢量的切换就可以得到这种旋转磁场.此后，将开关的频率设置得很低，这样所得双向PWM整流器的控制精度和稳态性能就会非常好.

3　V2G充电桩充电和放电控制策略的分析研究

V2G充电桩充电和放电的控制结构如图2所示.由图2可知，电网侧的电压首先要经双向PWM整流器的整流，经过整流以后，三相交流电就变成了直流电，然后通过双向DC/DC变换器就可以给电动汽车的蓄电池提供能量.通过A/D采样得到采样电压ua、ub、uc和采样电流ia、ib、ic.电网侧输入电流有一个相角，加入PLL锁相环模块就是为了控制这个相角.采用一种电压电流双闭环的空间电压矢量控制策略对双向PWM整流器进行控制，通过Park转换将双向PWM整流器的变量从三相静止坐标系转换到两相同步旋转坐标系中，这样交流量就变成了直流量.由于变量是相互耦合的，所以要采用前馈解耦控制的方法把这种耦合解除.解除耦合后，设计电压外环PI控制器和电流内环PI控制器.电压外环PI控制器控制三相电压型PWM整流器的直流侧电压，电流内环PI的控制器则是按照电压外环的输出电流指令进行快速地电流跟踪控制，通过SVPWM的空间矢量调制算法即可生成6路驱动脉冲来控制三相整流桥IGBT的通断.空间矢量控制器模块产生脉冲对三相基本两级电压源转换器（VSC）包括3个半桥开关器件（IGBT），此模块利用空间矢量脉宽调制技术来产生转换器的6开关元件，这种元件是用来触发脉冲的.

双向PWM整流器采用上文中的新型控制策略后，整个充电桩充放电系统的动态性能和稳态性能都变得更好.Udc指的是直流母线电压，可以将直流母线电压作为双向DC/DC变换器的一个电压源，主要是因为直流母线电压恢复得非常快.在实际生活中，经常要让充电桩从充电状态转换到放电状态，在双向DC/DC变换器中通过控制S1和S2这两个开关就可实现这种转换.从整体上来看，电动汽车充电桩都可以实现能量的双向流动即可实现V2G功能，当蓄电池放电时，能量将回馈到电网［9-10］.

图2　V2G电动汽车充电桩充电和放电的控制结构

4　系统仿真及分析

在Matlab/Simulink仿真环境下搭建了电动汽车充电桩充放电控制策略的仿真模型，并对仿真结果进行了分析.仿真模型包括：电网侧三相交流电源模块、PLL锁相环模块、三相半桥电压型PWM整流器模块、双向DC/DC变换器模块和空间矢量控制器模块等.其中，PLL锁相环模块中的锁相环控制输入电流的相角，从而得到间接电流控制的电流矢量指令；经过三相半桥电压型PWM整流器模块可以使电网侧的交流电变成直流电；空间矢量控制器模块可以使系统的动态性能更好.系统仿真参数设置如下：交流侧电压幅值为311 V、频率为50 Hz、交流侧电阻为1Ω、直流母线电压稳定在700 V、仿真时间设置为0.2 s，求解算法设置为ode45.

4.1充电状态下系统的仿真研究

充电状态下系统的仿真结果如图3、图4、图5所示.从图3、图4、图5中可以看出，系统开机启动时，交流侧存在较大的冲击电流，但经过很短的时间，电流就稳定下来.在实际系统中，系统开机启动过程中，可以通过调整电路参数、加缓启动电路，将启动电流逐渐增加到正常值，避免形成较大的冲击电流，也可以加限流电阻来抑制干扰.三相电压型整流器交流侧的输入电流为正弦，且它的相位与电网的电压相位相同，实现了单位功率因数整流，系统谐波污染很小.直流母线电压经过很短的时间就达到了700 V，并一直保持这个稳定值，电压电流波形很好.

4.2放电状态下的系统仿真研究

放电状态下系统的仿真结果如图6、图7、图8所示.从图6、图7、图8中可以看出，交流侧电流同样存在较大的冲击电流，但经过很短的时间，电流就稳定下来.三相电压型整流器交流侧的输入电流正弦，且与电压相位相反，两者相差180°，电流波形良好、网侧电压波形不畸变，网侧吸收能量.电动汽车充电桩整体上都实现了能量的双向流动，直流母线电压稳定在700 V.

图3　充电时电网侧A相电压和电流的波形

图4　充电时直流母线电压Udc的波形

图5　充电电流的波形

图6　A相电压和电流的波形

5　结论

随着电动汽车的蓬勃发展，电动汽车充电桩也在不断地建设，但是传统的充电站只具有充电功能，且谐波污染严重、能量损耗较大.基于此，提出了一种基于V2G技术的电动汽车充电桩，可以实现电网与电动汽车之间能量的双向流动，其拓扑结构是由三相半桥电压型PWM整流器与双向DC/DC变换器组成.同时，提出了一种基于dq同步旋转坐标系下的电压电流双闭环的电压空间矢量控制策略，并对这种控制策略进行了分析研究.最后，对V2G充电桩的充放电系统进行了仿真验证，结果证明采用此种控制策略能够实现充电桩能量的双向流动.

图7　直流母线电压Udc的波形

图8　放电电流的波形

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Charging and Discharging Control Strategy of V2G Technology Based Electric Vehicle Charging Pile

PEI Rong-na，GUO Xing-zhong∗，XU Huang-hua，YIN Song，ZHANG Qiao-lin
（Anhui Key Laboratory of Detection Technology and Energy Saving Devices，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China）

V2G charging pile main circuit topology is selecteel according to the special requirements of electric vehicle charging pile.It is consists of a three-phase voltage-source PWM rectifier and a bi-directional DC/DC converter.Firstly，the theory and mathematical models of the three-phase voltage rectifier are analyzed.A new control strategy is adopted.Under dq synchronous rotating frame，the voltage space SVPWM with voltage-current double closed loop is employed.Socondly，the working principle of the bidirectional DC/DC converter is discussed.Lastly，a simulation model of the whole system is built by Matlab/Simulink simulating software，and the results of the simulation is analysed.The conclusion is that the model can achieve the function of V2G.

V2G；electric vehicle charging pile；PWM rectifier；bi-directional DC/DC converter；voltage and current double closed loop；SVPWM

TM910.6

A

1672-2477（2016）04-0058-05

2015-11-17

安徽省芜湖市科技计划重点基金资助项目（2014CXY06）

裴荣娜（1987-），女，山东菏泽人，硕士研究生.

郭兴众（1962-），男，安徽阜阳人，教授，硕导.