一種基于V2G技術(shù)的電動汽車充電樁的充放電控制策略

裴榮娜，郭興眾，徐黃華，殷　松，張巧林（安徽工程大學安徽省檢測技術(shù)與節(jié)能裝置重點實驗室，安徽蕪湖　241000）

一種基于V2G技術(shù)的電動汽車充電樁的充放電控制策略

裴榮娜，郭興眾?，徐黃華，殷松，張巧林
（安徽工程大學安徽省檢測技術(shù)與節(jié)能裝置重點實驗室，安徽蕪湖241000）

根據(jù)電動汽車充電樁的特殊要求，選擇了V2G充電樁的主電路拓撲，由三相電壓型PWM整流器與雙向DC/DC變換器組成.首先，分析三相電壓型PWM整流器的工作原理和數(shù)學模型，采用一種新型的控制策略，即dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的電壓電流雙閉環(huán)的電壓空間矢量控制策略.其次，分析雙向DC/DC變換器的工作原理.最后，在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下搭建了整個系統(tǒng)的仿真模型，并對其仿真結(jié)果進行分析研究，證明該模型能夠?qū)崿F(xiàn)V2G功能.

V2G；電動汽車充電樁；PWM整流器；雙向DC/DC變換器；電壓電流雙閉環(huán)；空間矢量控制

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展進步，電動汽車的數(shù)量大幅度增加，充電樁的規(guī)模也隨之增大.V2G意為能量在電網(wǎng)與電動汽車之間的雙向流動，即電網(wǎng)和電動汽車之間可以實現(xiàn)能量和信息的雙向交換［1］.它拓展了新能源的利用，讓人類更好地享受電能的優(yōu)勢，向著節(jié)約、環(huán)保型社會發(fā)展.

電動汽車充電樁的結(jié)構(gòu)形式主要有兩種，第一種由二極管整流器和斬波器組成，另一種由不可控制的整流器和DC/DC變換器組成，這兩種結(jié)構(gòu)形式的充電樁不能實現(xiàn)能量從電動汽車向網(wǎng)側(cè)流動，且諧波治理也不好［2］.研究提出基于V2G技術(shù)的電動汽車充電樁，其結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成，即雙向DC/DC變換器和三相半橋電壓型PWM整流器.這種結(jié)構(gòu)形式的充電樁可以把電網(wǎng)和電動汽車連接起來，且當電網(wǎng)非常不穩(wěn)定時，能量可以從電動汽車回饋到電網(wǎng)，使得電網(wǎng)的穩(wěn)定性能和安全性能大幅度地提高.充電樁在充電過程中，電網(wǎng)側(cè)電流為正弦，且其相位與電網(wǎng)電壓的相位是相同的；充電樁在放電過程中，電網(wǎng)側(cè)電流也為正弦，但其相位與電網(wǎng)電壓是相反的，即相差180°.直流母線電壓非常穩(wěn)定，系統(tǒng)的動態(tài)性能也很好，并且可以實現(xiàn)單位功率因數(shù)校正.

1　基于V2G技術(shù)的電動汽車充電樁的主電路拓撲結(jié)構(gòu)

基于V2G技術(shù)的電動汽車充電樁的主電路拓撲結(jié)構(gòu)主要由三相半橋電壓型PWM整流器和雙向DC/DC變換器組成［3］，電池選用的是鋰離子電池.其拓樸結(jié)構(gòu)如圖1所示.

1.1雙向PWM整流器

三相半橋電壓型PWM整流器是一種雙向的PWM整流器，具有電網(wǎng)側(cè)的電壓和電流的波形都是正弦波、可以實現(xiàn)能量的雙向流動、動態(tài)響應非常快和穩(wěn)態(tài)性能好等優(yōu)點.當雙向PWM整流器工作在整流狀態(tài)時，能量由電網(wǎng)側(cè)流向雙向PWM整流器，電網(wǎng)側(cè)電流為正弦，且其相位與電網(wǎng)電壓的相位是相同的；當雙向PWM整流器工作在有源逆變狀態(tài)時，此時電動汽車蓄電池中儲存的能量就會回饋到電網(wǎng)中［4-5］，從而證明能量是可以雙向流動的，這時電網(wǎng)側(cè)的電壓和電流波形也是相同的，都是正弦的波形，但它們的相位卻是相反的.

1.2雙向DC/DC變換器

雙向DC/DC變換器具有動態(tài)響應快、能量轉(zhuǎn)換效率高、使用功率器件少等優(yōu)點.對于雙向DC/DC變換器，采用的是一種PWM的控制策略，通過控制開關的關閉和導通得以實現(xiàn).當充電樁對電動汽車蓄電池充電時，即開關S1是導通的，而開關S2始終是關閉的，這時雙向PWM整流器工作在整流狀態(tài)，雙向DC/DC變換器這時處在降壓時刻，能量由電網(wǎng)側(cè)流向了蓄電池.當蓄電池進行放電的時候，開關S1一直是關閉的，而開關S2是導通的，雙向DC/DC變換器正處于升壓時刻，雙向PWM整流器工作在有源逆變狀態(tài)，儲存在電池中的能量經(jīng)過雙向PWM整流器回饋到了電網(wǎng).

1.3充電方式

電動汽車充電一般采用慢充或快充［6］.慢速充電的電流很小，充電的時間一般為5～8 h.快速充電則用較大的電流在極短時間內(nèi)給電動汽車充電，充電效率非常高，但快速充電的前提是一定不能損害電池.一般充電電流為150～400 A，充電時間為2 min～2 h.研究采用快速充電的充電方式.

圖1　基于V2G技術(shù)的電動汽車充電樁的主電路的拓撲結(jié)構(gòu)

2　電動汽車充電樁的數(shù)學模型的建立及充電放電控制策略的分析研究

根據(jù)基爾霍夫電壓的定律，由圖1中拓樸結(jié)構(gòu)得到靜止坐標系下數(shù)學模型的表達式［7］：

式中，ia、ib和ic是電網(wǎng)側(cè)三相交流電流；ua、ub和uc是電網(wǎng)側(cè)的電壓；cd是直流側(cè)電容；Ls是等效電阻；Ed是直流電動勢；uAN、uBN、uCN分別為a點、b點和c點相對于N點的電壓；uNO為N點O點中間的電壓.

在三相靜止坐標系下，很容易就可以看到電流和電壓這些物理量，但是交流側(cè)的電壓和電流一直是變化的［8］，因而難以設計出PI控制器.為了解決這個問題，必須將交流量轉(zhuǎn)換成直流量，經(jīng)過dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系的旋轉(zhuǎn)變換可以直觀地看到這些直流量，降低了PI控制器的設計難度.

在同步旋轉(zhuǎn)坐標下建立雙向PWM整流器的數(shù)學模型表達式為：

鎖相環(huán)PLL鎖定電網(wǎng)的相位同時為電流的調(diào)制波、ab c到dq變換、dq到abc變換提供了相角.采用前饋解耦控制的方法可以解除這種耦合，在轉(zhuǎn)化的過程中要把電流變量id、iq作為獨立的直流變量進行控制.為了保證系統(tǒng)良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，采用了電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器來進行調(diào)節(jié)，那么就可以得到電流調(diào)節(jié)器的方程：

式中，U?d和U?q分別為d軸和q軸這兩個軸的電壓設定值；i?d和i?q分別為d軸和q軸這兩個軸的電流設定值.將式（3）代入式（2）可得：

對三相半橋電壓型PWM整流器采用一種電壓電流雙閉環(huán)的電壓空間矢量控制策略.為了保證系統(tǒng)具有良好的控制精度和穩(wěn)態(tài)性能，這種控制策略用PI調(diào)節(jié)器來控制電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán).采用空間電壓矢量這種控制策略比固定開關頻率PWM和滯環(huán)控制都優(yōu)越，系統(tǒng)不但動態(tài)響應快，同時提高了直流電壓的利用率.采用這種控制策略，首先要獲得一個準圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，通過雙向PWM整流器電壓矢量的切換就可以得到這種旋轉(zhuǎn)磁場.此后，將開關的頻率設置得很低，這樣所得雙向PWM整流器的控制精度和穩(wěn)態(tài)性能就會非常好.

3　V2G充電樁充電和放電控制策略的分析研究

V2G充電樁充電和放電的控制結(jié)構(gòu)如圖2所示.由圖2可知，電網(wǎng)側(cè)的電壓首先要經(jīng)雙向PWM整流器的整流，經(jīng)過整流以后，三相交流電就變成了直流電，然后通過雙向DC/DC變換器就可以給電動汽車的蓄電池提供能量.通過A/D采樣得到采樣電壓ua、ub、uc和采樣電流ia、ib、ic.電網(wǎng)側(cè)輸入電流有一個相角，加入PLL鎖相環(huán)模塊就是為了控制這個相角.采用一種電壓電流雙閉環(huán)的空間電壓矢量控制策略對雙向PWM整流器進行控制，通過Park轉(zhuǎn)換將雙向PWM整流器的變量從三相靜止坐標系轉(zhuǎn)換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系中，這樣交流量就變成了直流量.由于變量是相互耦合的，所以要采用前饋解耦控制的方法把這種耦合解除.解除耦合后，設計電壓外環(huán)PI控制器和電流內(nèi)環(huán)PI控制器.電壓外環(huán)PI控制器控制三相電壓型PWM整流器的直流側(cè)電壓，電流內(nèi)環(huán)PI的控制器則是按照電壓外環(huán)的輸出電流指令進行快速地電流跟蹤控制，通過SVPWM的空間矢量調(diào)制算法即可生成6路驅(qū)動脈沖來控制三相整流橋IGBT的通斷.空間矢量控制器模塊產(chǎn)生脈沖對三相基本兩級電壓源轉(zhuǎn)換器（VSC）包括3個半橋開關器件（IGBT），此模塊利用空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)來產(chǎn)生轉(zhuǎn)換器的6開關元件，這種元件是用來觸發(fā)脈沖的.

雙向PWM整流器采用上文中的新型控制策略后，整個充電樁充放電系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都變得更好.Udc指的是直流母線電壓，可以將直流母線電壓作為雙向DC/DC變換器的一個電壓源，主要是因為直流母線電壓恢復得非常快.在實際生活中，經(jīng)常要讓充電樁從充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到放電狀態(tài)，在雙向DC/DC變換器中通過控制S1和S2這兩個開關就可實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換.從整體上來看，電動汽車充電樁都可以實現(xiàn)能量的雙向流動即可實現(xiàn)V2G功能，當蓄電池放電時，能量將回饋到電網(wǎng)［9-10］.

圖2　V2G電動汽車充電樁充電和放電的控制結(jié)構(gòu)

4　系統(tǒng)仿真及分析

在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下搭建了電動汽車充電樁充放電控制策略的仿真模型，并對仿真結(jié)果進行了分析.仿真模型包括：電網(wǎng)側(cè)三相交流電源模塊、PLL鎖相環(huán)模塊、三相半橋電壓型PWM整流器模塊、雙向DC/DC變換器模塊和空間矢量控制器模塊等.其中，PLL鎖相環(huán)模塊中的鎖相環(huán)控制輸入電流的相角，從而得到間接電流控制的電流矢量指令；經(jīng)過三相半橋電壓型PWM整流器模塊可以使電網(wǎng)側(cè)的交流電變成直流電；空間矢量控制器模塊可以使系統(tǒng)的動態(tài)性能更好.系統(tǒng)仿真參數(shù)設置如下：交流側(cè)電壓幅值為311 V、頻率為50 Hz、交流側(cè)電阻為1Ω、直流母線電壓穩(wěn)定在700 V、仿真時間設置為0.2 s，求解算法設置為ode45.

4.1充電狀態(tài)下系統(tǒng)的仿真研究

充電狀態(tài)下系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示.從圖3、圖4、圖5中可以看出，系統(tǒng)開機啟動時，交流側(cè)存在較大的沖擊電流，但經(jīng)過很短的時間，電流就穩(wěn)定下來.在實際系統(tǒng)中，系統(tǒng)開機啟動過程中，可以通過調(diào)整電路參數(shù)、加緩啟動電路，將啟動電流逐漸增加到正常值，避免形成較大的沖擊電流，也可以加限流電阻來抑制干擾.三相電壓型整流器交流側(cè)的輸入電流為正弦，且它的相位與電網(wǎng)的電壓相位相同，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)整流，系統(tǒng)諧波污染很小.直流母線電壓經(jīng)過很短的時間就達到了700 V，并一直保持這個穩(wěn)定值，電壓電流波形很好.

4.2放電狀態(tài)下的系統(tǒng)仿真研究

放電狀態(tài)下系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖6、圖7、圖8所示.從圖6、圖7、圖8中可以看出，交流側(cè)電流同樣存在較大的沖擊電流，但經(jīng)過很短的時間，電流就穩(wěn)定下來.三相電壓型整流器交流側(cè)的輸入電流正弦，且與電壓相位相反，兩者相差180°，電流波形良好、網(wǎng)側(cè)電壓波形不畸變，網(wǎng)側(cè)吸收能量.電動汽車充電樁整體上都實現(xiàn)了能量的雙向流動，直流母線電壓穩(wěn)定在700 V.

圖3　充電時電網(wǎng)側(cè)A相電壓和電流的波形

圖4　充電時直流母線電壓Udc的波形

圖5　充電電流的波形

圖6　A相電壓和電流的波形

5　結(jié)論

隨著電動汽車的蓬勃發(fā)展，電動汽車充電樁也在不斷地建設，但是傳統(tǒng)的充電站只具有充電功能，且諧波污染嚴重、能量損耗較大.基于此，提出了一種基于V2G技術(shù)的電動汽車充電樁，可以實現(xiàn)電網(wǎng)與電動汽車之間能量的雙向流動，其拓撲結(jié)構(gòu)是由三相半橋電壓型PWM整流器與雙向DC/DC變換器組成.同時，提出了一種基于dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的電壓電流雙閉環(huán)的電壓空間矢量控制策略，并對這種控制策略進行了分析研究.最后，對V2G充電樁的充放電系統(tǒng)進行了仿真驗證，結(jié)果證明采用此種控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)充電樁能量的雙向流動.

圖7　直流母線電壓Udc的波形

圖8　放電電流的波形

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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

安徽省蕪湖市科技計劃重點基金資助項目（2014CXY06）

裴榮娜（1987-），女，山東菏澤人，碩士研究生.

郭興眾（1962-），男，安徽阜陽人，教授，碩導.