V2G技术在微电网中控制的研究与仿真

，，

(1.国网甘肃电力科学研究院，甘肃 兰州 730000；2.沈阳工程学院电力学院，辽宁 沈阳 110136)

1 引言

当前随着全球化石燃料的枯竭，以及环境污染等问题，风电、光伏等可再生能源越来越受到人们的重视。微电网的建立使得这些能源得到有效利用，由于分布式电源功率的不确定性，对电能质量会造成不良影响。而当前储能系统可以有效解决这一问题，但储能系统的费用过高同时会造成微电网建设成本过高。

电动汽车的发展带来了新的契机，让闲置的电动汽车作为电源稳定微网的电压频率的稳定，降低储能成本，成为一个值得研究的课题。本文为实现这一目标，设计了双向交流充电装置，既可实现电动汽车电池的电流双向流动，让其作为移动式储能系统，对微电网的电压频率波动进行平抑，减轻微电网储能系统的负担，提高微电网的电能质量，又可以作为负载充电，为汽车提供电能。

2 电路拓扑结构及控制原理

本文设计的电动汽车充电桩采用三相电压型桥式逆变电路与双向半桥变换电路级联结构，如图1所示。直流侧的控制基于双向DC/DC变换器电路的电流环控制，作为充放电控制器，起到传递能量的作用。首先对双向半桥变换器分析，当变换器升压放电时，S7保持关断的状态，S8保持开关状态，把电能送到直流母线上，由AC-DC换流器送到微电网。变换器降压充电时S8保持关断的状态，S7保持开关状态，电能由直流母线传递到蓄电池。

图1 充电桩等效电路结构

根据状态平均法对变换器建立控制模型，对稳态工作点加入扰动可以得到小信号模型。

变换器工作在BOOST升压放电状态下：

(1)

(2)

变换器工作在BUCK降压充电模式下：

(3)

(4)

(5)

其中，Gvi(S)是占空比到电压传递函数；GLD(S)是占空比到电流环的传递函数，Gvd(S)是输入电压到输出电压的传递函数。D为IGBT开关开通的占空比，D′为开关关断的时间占空比，R1为电池充电时变换器输出端的等效电阻，R2为电池放电时变换器输出端的等效电阻。

交流侧DC-AC电路结构中，根据基尔霍夫电压定律建立回路方程并整理可得：

(6)

定义开关函数Sk为：

(7)

则电压vaN、vbN、vcN可以表示为：

(8)

代入后，对变量进行P-Q分解可得：

(9)

添加电流扰动与开关函数扰动可以得到小信号等小模型：

(10)

该式为换流器基于瞬时功率理论的p-q分解的小信号控制模型。

3 控制策略

3.1 DC-DC变换器导通策略

充电桩双向导通时，电动车电池此时转变成微电网储能，可以给微电网放电，平抑微网功率波动，提高电能质量。此时，变换器采用基于互补PWM控制方式的双闭环控制。外环采用电压控制，用来稳定充电桩直流母线的电压。控制策略如图2所示。

图2 DC-DC变换器双向控制策略

图中：

(11)

当电动汽车电池作为负载进行充电时，鉴于电池本身的特性以及人们对充电时间的要求。不仅要做到对电池本身寿命的影响降到最低，同时还要缩短电池充电时间。本设计采取恒流充电、恒压充电与恒功率三种模式。控制策略如图3所示，恒流充电采用单电流环控制，保证充电电流不变；恒压充电采用外环电压内环电流控制的双环控制，保证充电电压稳定。正常情况下在电池电荷过低时会采用恒流充电，达到一定状态时切换到恒压充电模式。恒功率充电适合快充，是对急需用电的汽车采用的一种充电方式，但对电池的损耗较大。

图3 DC-DC变换器双向控制策略

3.2 AC-DC逆变器导通策略

AC-DC换流器双向导通时，为了使电动汽车做到即插即用，本文对充电桩的换流器部分采用下垂控制与P/Q控制两种模式，在下垂控制模式下充电桩与微电网本身的储能系统形成对等控制。控制策略如图4所示。

图4 AC-DC逆变器下垂控制策略

微电网储能系统与电动汽车电池的功率分配，可调节下垂因数来进行协调 ，下垂因数由式(12)可得：

(12)

式中，pmax、Qmax分别为换流器在频率下降时允许输出的最大功率与电压下降时最大允许的输出无功功率，pn、f0为额定输出功率分别为额定的输出功率与系统正常运行的额定频率。

在P/Q控制模式下，充电桩可以根据设定的功率参考值进行恒功率放电，其控制策略如图5所示。

图5 AC-DC逆变器P/Q控制策略

当电动汽车电池作为负载充电时，AC-DC换流器采用恒直流电压无功功率控制器结构，设定Qref=0,用直流电压Udc与参考值Udcref代替了传统AC-DC换流器的P/Q控制中的有功功率控制通道，从而转变成直流电压控制通道，稳定直流母线电压，以保证DC-DC变换器的正常工作，控制策略如图6所示。

4 仿真验证

为了验证策略的有效性，搭建了微电网与充电桩的SIMULINK仿真模型。微电网模型包含风机，光伏等分布式电源，额定输出功率20W。该充电桩模型由BOOST-BUCK电路与三相全桥整流电路以及LC滤波器组成。采样数据，经过控制系统运算，最终经过PWM模块得到变换器与换流器的控制信号，控制系统包含本文设计的策略。表1为本模型的仿真参数。

图6 AC-DC逆变器单向控制策略

项目仿真参数交流电压380V直流电压800V锂电池容量10Ah换流器开关频率20kHz

4.1 充电桩双向导通时仿真

双向导通时电动汽车作为微电网的储能装置。当微电网处于孤岛运行模式时，微电网本身的储能系统在下垂模式下运行。此时，电动汽车充电桩的变换器部分采用外环电压内环电流控制，逆变器部分采用下垂控制接入微电网。仿真中设定微电网储能系统下垂控制的额定功率pn.battery=20kW,充电桩的额定功率pn.car=10kW。

图7为微电网孤岛运行下各部分功率的仿真波形，截取0.2～1s时间段内分析。由功率平衡可知负载消耗的功率为微电网与储能共同发出的功率。微电网分布式电源发出功率具有不确定性，在20kW附近震荡，负载稳定在32kw,储能系统平抑的功率在8～12kW之间，由于电动汽车电池容量较小，释放的电能功率在0～4kW之间。由于都是采用下垂控制，二者功率存在线性关系，验证了电动汽车可以为微电网储能系统分担一部分功率的效果。

图7 双向导通时微电网各部分功率

4.2 充电桩单向导通仿真

充电桩单向导通时，电动车电池作为负载充电，充电时三种充电模式均采用PI无差调节，充电电流具有很强的抗干扰能力，不受变换器输入端电流电压的影响。通过SIMULIK仿真平台对这三种策略其进行仿真验证，所得结果如下图所示。

图8 恒流充电

图9 恒压充电

图10 恒功率充电

如图8所示恒流充电，设置参考电流值20A，充电电流在经过7s波动后趋于稳定。图9所示为恒压充电，设置参考电压值400V，图10为恒功率充电，设置参考功率为1500W。图下方均为对应充电模式下锂电池的电荷状态。综合以上仿真可以看出，在充电状态下的策略是可行有效的。

4.3 充电桩切换对于微电网的影响

该仿真过程中微电网处于离网运行，设定在0.3s时充电桩接入微网，此时充电桩采用下垂控制模式，与微电网储能系统一起平抑微电网的功率波动，仿真结果如图11所示。

图11为电动汽车电池充电桩以双向导通的工作状态接入微电网时，微电网各部分的功率。可以看出充电桩在0.3s接入微电网时，微网储能系统与电动汽车电池的功率在短时间内出现波动，但是由图12可知，此波动不会影响微电网的电压大小，出现的冲击电流时间非常短暂且在可接受范围内。由此可以得出，当电动汽车以储能模式采用下垂控制接入微电网时，对微电网的正常运行不会造成影响。

图11 微电网双向切入时各部分平抑功率

图12 双向切入时微电网电压、充电电流

当电动汽车作为负载接入孤岛运行的微电网在0.1s接入微电网进行充电时，接入的瞬间引起了整个微电网的功率波动，但时间极为短暂，对应图14中的微网电压波形几乎不受影响,说明本文的充电策略可行。

图13 单向切入时各部分平抑功率

图14 单向切入时微电网电压、充电电流

5 结论

本文针对微电网与电动汽车的结合，提出并设计了一种基于微电网下的电动汽车充电桩，利用不同的控制策略实现了充电桩单双向的切换，实现了利用电动汽车作为微电网移动式储能。建立了微电网与充电桩的仿真模型验证了充电桩的可行性，为未来电动汽车在微电网下的充电桩的设计提供了借鉴。

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