面向主動配電網的電動汽車充放電功率控制技術

韓華春， 丁 昊， 黃 地，呂振華

(1. 國網江蘇省電力公司電力科學研究院, 江蘇 南京 211103;2. 國網江蘇省電力公司檢修分公司,江蘇 南京 211106)

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面向主動配電網的電動汽車充放電功率控制技術

韓華春1， 丁 昊2， 黃 地1，呂振華1

(1. 國網江蘇省電力公司電力科學研究院, 江蘇 南京 211103;2. 國網江蘇省電力公司檢修分公司,江蘇 南京 211106)

電動汽車V2G系統不僅能實現對電池的充放電功能，還能發揮三相電壓型PWM變流器的四象限運行功能，為電網提供雙向可控的有功功率和無功功率，實現平抑電網負荷波動、削峰填谷等功率調節功能。本文針對V2G系統的并網功率控制，分析了電動汽車V2G系統拓撲結構，并提出基于比例反饋積分(PFI)的功率控制方法，實現V2G系統并網電流指令的精確跟蹤；與常規的比例積分(PI)控制進行了對比分析，通過PSIM仿真平臺驗證了該PFI控制方法的有效性。

電動汽車; V2G; 比例反饋積分; 功率控制

0 引言

主動配電網的建設依托于大規模間歇式可再生能源并網運行控制、電網與充放電設施互動、智能配用電等關鍵技術的發展[1-3]。在主動配電網中，需要對電動汽車這種不確定性較大的負荷進行主動控制，引導電動汽車進行有序充放電，使得電網可以較好地消納電動汽車。V2G系統[4-6]是實現電動汽車與電網能量互動的接口，合理高效的充放電控制對于蓄電池安全健康、電網穩定運行有著至關重要的影響。

V2G系統變流器并網運行時通常控制為電流源，其控制目標是快速響應功率指令，調節并網功率。HUTSON C[7]研究了電動汽車與電網之間的功率雙向流動問題，指出電動汽車充放電帶來的負荷變化對電網發電和調度有重要的影響。文獻[8]通過電力電子設備將電動汽車與電網相互連接實現能量在二者之間的雙向交換，證明了電動汽車和電網之間進行能量雙向流動的可能性。文獻[9,10]提出了考慮電動汽車運行不確定性的電動汽車分布式儲能充放電控制策略，通過與分布式儲能控制中心的信息交互，實現了與電網的能量雙向交換，提高了可再生能源發電的可調度性。文獻[11]以平抑負荷波動為目的，提出了一種智能充放電控制策略，并分析了電動汽車V2G技術減小家庭負荷波動的情況。文獻[12]對3輛容量均為80 A·h的電動汽車采用V2G技術平抑某一區域的電網負荷進行了仿真分析，通過對電動汽車的充放電控制進一步縮小了電網峰谷差。文獻[13-15]提出了自治分布式V2G頻率下垂控制策略，入網電動汽車就地測量電網頻率并根據頻率偏差控制其充放電功率，為系統提供調頻服務。

本文研究了電動汽車V2G系統并網功率下的控制策略，提出了基于比例反饋積分(PFI)的電流控制方法，根據功率和電流的對應關系生成指令電流，實現V2G系統并網電流指令的精確跟蹤。

1 電動汽車V2G系統結構

電動汽車充放電裝置是電動汽車與交流電網之間能量轉換的紐帶，其拓撲結構直接影響充放電系統控制策略的制定。電動汽車V2G系統的拓撲結構如圖1所示。

圖1 電動汽車V2G系統拓撲Fig.1 Topology structure of V2G system

Ⅰ為電動汽車動力電池組，可作為負荷吸收電網電能，也可作為儲能單元向電網反饋電能；Ⅱ為雙向DC/DC變換器，主要進行電池側直流電壓的升降變換，使其能夠適應更寬范圍的電動汽車動力電池端電壓；Ⅲ為直流母線電容，是雙向功率交換的紐帶；Ⅳ為雙向AC/DC環節，采用電壓源型脈沖寬度調制(PWM)變流器，實現交流與直流的雙向轉換；Ⅴ為三相負載；Ⅵ 為電網電壓。

電動汽車在主動配電網中可作為分布式儲能單元，在電網需要的時候反向饋電，并且基于電壓源型PWM變流器的四象限運行，接受電網有功、無功功率指令，是電動汽車與電網能量雙向互動的關鍵。電動汽車V2G拓撲中，VSC與Buck/Boost變換器僅能量流動方向一致，控制相互獨立。

2 基于PFI的電流跟蹤控制

2.1 電流內環PFI控制器

V2G系統變流器電流內環的控制目標是使輸出電流高精度跟蹤給定電流，減少瞬態跟蹤時間，實現快速與精確跟蹤[16]。

電動汽車V2G系統在實際運行環境中，受電網自身容量、結構和負載特性的影響，普遍存在電網電壓畸變等非理想現象，特別是在局部微電網和距離電力主干網較遠的終端[17]。當電網電壓出現畸變等現象時，傳統的比例積分(PI)控制策略的控制性能就會變差。基于此，采用基于PFI控制器的電流跟蹤控制，如圖2所示。

圖2 d軸電流環PFI控制器Fig.2 d-axis current loop PFI controller

圖2中：Ts為采樣周期；KPWM為PWM等效增益，忽略開關器件的損耗及死區效應等，可認為KPWM=1；慣性環節1/(1.5Ts+1)近似表示信號采樣延遲和PWM控制的小慣性特性。

d軸輸入電流可表示為：

(1)

式(1)中第一項為d軸電流參考值產生，第二項為d軸的電網電壓擾動所產生。無論比例增益kp取何值，只要系統穩定且積分系數ki≠0，則在s→jω0處有：

(2)

d軸電流內環的閉環傳遞函數Gr_pfi(s)為：

(3)

對應的電流內環開環傳遞函數Gro_pfi(s)為：

(4)

考慮到系統的抗擾性能，忽略電流內環等效時間常數Ts的影響，式(4)可寫成如下形式：

(5)

由式(5)算得電流內環的阻尼比ξ和自然振蕩頻率ωn為：

(6)

計算得：

(7)

為了使電流內環獲得較好的動、靜態特性，設置系統的阻尼比ξ=0.707，ωn=300 rad/s，將ξ,ωn參考值代入式(7)，即可設計出電流內環調節器的參數kp,ki。

在PFI調節器的設計中，根據上述方法可確定基本參數，但是實際應用中還需要通過適當的調整得到最佳調節參數kp,ki，以避免參數選擇的盲目性。

2.2 電流內環PFI控制性能分析

基于PFI控制的電流內環控制器與傳統PI控制器(如圖3所示)的區別在于比例環節位置不同，PI控制器在前向通道，PFI控制器在反饋通道上。為驗證基于PFI控制的電流內環控制方法的有效性，本節將PFI控制器與傳統PI控制器進行比較分析。

圖3 d軸電流環PI控制器Fig.3 d-axis current loop PI controller

由圖2推導得到基于PFI控制器的擾動傳遞函數Gd_pfi(s)和誤差傳遞函數Ge_pfi(s)。

擾動ed到輸出id的傳遞函數Gd_pfi(s)：

（3）渾河、蘇子河的氮輸入對撫順取水口處各水質要素的影響相當，減小蘇子河的磷輸入能更有效地降低撫順取水口處的葉綠素a濃度。該研究以期為大伙房水庫水資源可持續利用及水質管理提供理論指導。

(8)

誤差e到輸出id的傳遞函數Ge_pfi(s)：

(9)

由圖3可推導出基于PI控制器的閉環傳遞函數、擾動傳遞函數以及誤差傳遞函數。

(10)

擾動ed到輸出id的傳遞函數Gd_pi(s)：

(11)

誤差e到輸出id的傳遞函數Ge_pi(s)：

(12)

對以上PFI控制器和PI控制器的閉環傳遞函數、擾動傳遞函數、誤差傳遞函數進行對比分析，可以看出：

(1) 閉環傳遞函數Gr_pfi(s)和Gr_pi(s)分母相同，即具有相同的極點，不同的是PI控制引入了零點(kps+ki)，當有階躍輸入時，比例和積分將同時起作用，會引起較大超調；而采用PFI控制時，積分先起作用比例后起作用，超調將會減小甚至消失。

圖4 PFI控制器和PI控制器傳遞函數頻域特性Fig.4 Frequency domain characteristics of transfer function for PFI controller and PI controller

3 仿真分析

在仿真軟件PSIM9.0中搭建了V2G系統變流器的仿真模型，仿真參數設置見表1。標定V2G系統交流側輸出電流入網側方向為正。

在電網電壓存在一定畸變(含10%的5次諧波，即電網電壓THD為10%)的情況下， 采用所提出的PFI控制方法進行仿真，并與傳統的PI控制器對比。

表1 V2G系統變流器主要參數Table 1 Main parameters of converter in V2G system

圖5、圖6為電網電壓畸變情況下，V2G系統的動態輸出波形。仿真時間t=0.1 s時給定功率指令為Pref=-8 kW，Qref=6 kvar。

圖5 電壓畸變時并網功率跟蹤波形(PI控制器)Fig.5 Grid connected power waveform under voltage distortion (PI controller)

圖6 電壓畸變時并網功率跟蹤波形(PFI控制器)Fig.6 Grid connected power waveform under voltage distortion (PFI controller)

結合表2給出的三相輸出電流THD值，可以看出，電網電壓畸變時，基于PI控制的電流諧波含量較大，其THD為4.84%、4.58%、4.62%，而且并網功率值有明顯的波動；而PFI控制時并網電流質量較好，功率波動小，說明采用PFI控制時可有效抑制電網波動對并網電流的影響。

表2 電網電壓畸變時并網電流THDTable 2 Grid current THD in grid voltage distortion %

4 實驗驗證

采用本文提出的PFI控制器對V2G系統進行并網功率控制實驗，并在微電網公共點電壓畸變情況下與傳統PI控制器進行對比分析。

圖7、圖8為微電網公共點電壓畸變(THD=3.61%)情況下，V2G系統響應并網功率指令的穩態輸出波形，實驗中，給定功率指令為Pref=-2.7 kW，Qref=2.7 kvar。

圖7 V2G系統功率響應實驗波形(PI控制器)Fig.7 Power dispatching experimental waveform of V2G system based on PI controller

圖8 V2G系統功率響應實驗波形(PFI控制器)Fig.8 Power dispatching experimental waveform of V2G system based on PFI controller

對比圖7和圖8可以看出，電網電壓畸變時，V2G系統在兩種控制器作用下的輸出電流都存在畸變，但是畸變程度不同，其PI控制器下輸出電流ia的THD為3.35%，而采用PFI控制器的THD為2.25%。由圖7(b)、圖8(b)可以看出，相對于PI控制器，采用PFI控制器的輸出電流3次諧波含量明顯減小。采用PFI控制器的并網電流波形質量相對PI控制器較好一些，能夠有效抑制并網電壓畸變等波動造成的影響。

由于實驗條件限制，若是網側電壓達到仿真中畸變效果，PFI控制器比PI控制器抑制網側電壓波動等優勢效果會更明顯。

5 結語

本文研究了面向主動配電網的電動汽車V2G系統并網功率模式下的控制策略，基于給定的功率指令，根據功率和電流的對應關系生成指令電流，并提出基于PFI的電流控制算法，實現V2G系統并網功率的精確跟蹤；在PSIM仿真平臺上搭建了V2G系統變流器模型并進行仿真驗證，通過與常規的PI控制進行了對比分析，本文所提出的PFI控制器能夠快速跟蹤電流指令，并且在網側電壓畸變時，輸出電流也能不受影響，輸出較好的正弦電流波形。

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(編輯 劉曉燕)

Electric Vehicle Power Control Strategy for Active Distribution Network

HAN Huachun1, DING Hao2, HUANG Di1,LYU Zhenhua1

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company Research Institute, Nanjing 211103, China;2. State Grid Jiangsu Electric Power Company Maintenance Branch, Nanjing 211106, China)

V2G system can provide two-way controllable active power and reactive power into the power grid, realize the load fluctuation and stabilize the power grid peak power regulation function. This paper focuses on the power control of the V2G system in the grid-connected mode. The main circuit structure of the V2G system is introduced. To tracking current instructions precisely, the proportion feedback integral control method is proposed. The effectiveness of the proposed control strategy is verified by simulation and experiment results.

electric vehicle; V2G; proportional feedback integral; power control

2017-02-08；

2017-04-01

國家重點研發計劃資助項目(2016YFB0101800);國網江蘇省電力公司科技項目(5210EF15001H)

TM73

A

2096-3203(2017)04-0008-06

韓華春

韓華春(1988—)，女，山東濟寧人，博士，工程師，從事電動汽車V2G技術、新能源并網關鍵技術研究工作(E-mail：598543427@qq.com)；

丁 昊(1987—)，男，江蘇鹽城人，工程師，從事電力系統與保護、電網項目管理等工作(E-mail：dingh1@js.sgcc.com.cn)；

黃 地(1989—)，男，江蘇啟東人，博士，從事熱力系統仿真、新能源并網關鍵技術工作(E-mail：andy_r1@msn.com)；

呂振華(1988—)，男，山東濰坊人，工程師，從事新能源發電并網、電能質量分析工作(E-mail：517480859@qq.com)。