基于MATLAB和多智能體的雙向充電策略

仇成群，夏玉寧，尹金章，胡天云

（1.鹽城師范學院 新能源與電子工程學院，江蘇 鹽城224007；2.國網江蘇省電力有限公司鹽城供電分公司，江蘇 鹽城224002）

0 引言

電動汽車作為新型交通工具，相比于傳統汽車，具有緩解能源危機、減少環境污染等巨大優勢。隨著電動車數量的不斷增加，電動車充電對電網的影響也在擴大，如引發諧波、供電平衡等問題，并且加大了系統運行成本和投資成本。因此，電動汽車有序充電具有重要意義，這使得電動汽車有序充電控制技術和電動汽車充電引導策略研究日益受到廣泛關注[1]。

研究提出基于多智能體的雙向充電的電動汽車充電樁，該充電樁由三相半橋電壓型PWM（Pulse Width Modulation）整流器和DC/DC變換器（轉變輸入電流后有效輸出固定電流的電流轉換器）組成。無論是充電過程還是放電過程，電網側的電流均為正弦[2]。不同的是，充電時，電流與電壓的相位相同，而在放電時，電流與電壓的相位相反，即相位差。當電網處于不穩定狀態時，可以通過充電樁將能量從電動車反饋給電網，以此提高電網的穩定性和安全性[3]。

1 多智能體的雙向充電方式

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，電網側的電壓和電流波形都是正弦波，具備能量的雙向流動的基本條件，具有動態響應快、穩態性能好等優點。當雙向PWM整流器處于整流狀態時，能量由電網側流向雙向PWM整流器；當雙向PWM整流器處于有源逆變狀態時，電動汽車蓄電池中的能量會反饋到電網中，即實現能量的雙向流動[3]。

1.2 雙向DC/DC變換器

DC/DC變換器在電動汽車上是一種將直流轉換為可變直流的裝置，而雙向DC/DC變換器就是DC/DC變換器的雙象限運行，采用一種脈沖寬度調制方式即PWM來控制電動汽車充電，通過控制開關的關閉和導通得以實現。DC/DC變換器可以改變電流的方向，而電壓極性不變，所以在汽車充電系統中起到關鍵作用。并且雙向DC/DC變換器體積小、動態性能好、能量轉換效率高。

如圖1所示，當開關S1導通，開關S2關閉時，能量由電網側流向電動汽車的蓄電池，電動汽車處于充電狀態，此時雙向PWM整流器處于整流狀態，雙向DC/DC變換器處于降壓時刻。相反，當開關S1關閉，而開關S2導通時，能量由蓄電池流向電網側，此時雙向PWM整流器工作處于有源逆變狀態，雙向DC/DC變換器處于升壓時刻[3]。

圖1 充電樁拓撲結構

1.3 充電方式

電動汽車現有的充電方式為直流充電樁（快充）和交流充電樁（慢充）兩種。慢充的充電效率低、耗時長。一般慢充電流大約為15 A，充電的時間為8 h左右。相較于慢充，快充則用較大的電流在極短時間內給電動汽車充電，一般充電電流為150～400 A，充電時間為15 min～2 h，充電效率非常高，但一般快充會對電池的壽命造成一定的影響，所以電動汽車充電樁在具有快速充電功能的同時，還應確保充電電流的平滑性，以降低對電池的損耗。由基爾霍夫電壓定律，由圖1拓樸結構得數學模型的表達式：

式（1）中，Ls是電路中的等效電阻；ia、ib和 ic是電網側三相交流電流；ua、ub和uc是電網側的電壓；uad、ubd、ucd分別為 a、b、c 相對于 d 的電壓；udo為 d 和o中間的電壓。

2 基于MATLAB和多智能體的雙向充電策略

2.1 MATLAB和多智能體簡介

MATLAB是用于數據可視化、分析與計算的計算語言。設計人員可以在MATLAB中采用多途徑編輯充電控制系統，并可以進行算法模擬仿真，以行函數來實現系統功能[4]。多智能體系統簡單來說就是一個計算系統，它由多個交互的智能體組成，可用于解決單層系統難以解決的問題，通常使用函數，過程和算法等方式來實現其智能。

2.2 基于MATLAB和多智能體的雙向充電策略

基于多智能體的雙向充電策略的多智能體系統由圖2所示的多智能體體系結構按照圖1的拓撲結構構建而成，該充電系統是一個分工合作、分層遞進的復合分布的多智能系統。該系統可將電力系統分成3個層次，分別是輸電網絡層、變壓器以上的配電網絡層、變壓器以下的用電層[5]。充電時間可由下式計算得到：

圖2 多智能體系統結構

充電時間計算所需變量定義如表1所示。由式（2）可知，充電時間受到電量的約束，即用戶出行時，電動汽車的實際電池電量應大于用戶設定的目標值（目標值最大為1），考慮到電池過度放電對其壽命造成消極影響，電動汽車在接入電網時的電量應不低于0.25。即

表1 充電時間計算所需變量定義

在該策略中，每臺電動汽車在接入充電樁進行充電時，充電需求參數和配電壓器的負荷信息將通過蓄電池接入充電樁時的電量狀態以及電池實際容量，最終以電流的形式反饋到電網。接入EV變壓器容量約束條件的變量定義如表2所示。充電時間如圖3所示。據大數據統計，預估19：00到次日7：00為充電高峰期，在這個時段，基于MATLAB和多智能體的雙向充電策略將會計算出每臺電動汽車合理的充電時間，從而有效減小電網峰谷差。接入電動汽車負載后的變壓器總負荷應小于變壓器的最大負載功率，即：

表2 接入EV變壓器容量約束條件的變量定義

圖3 充電時間

基于MATLAB和多智能體的雙向充電流程圖如圖4所示。本文充電策略應用MATLAB/Simulink中電力系統Simpower System模塊建立模型，仿真模型中使用了電源、斷路器、變壓器、RLC等部件，進行原理圖的繪制及仿真，仿真系統電路圖如圖5所示。分析計算模型接入系統前后的電壓穩定性、三相電壓不平衡度、諧波等指標等，結合實際情況制定出優化的充電策略。應用理論分析和MATLAB進行模擬仿真，在仿真過程中對參數進行設定及時修改，該文設計的充電策略著重解決了電動車在雙向充電過程中存在的實際問題。

圖4 多智能體的雙向充電流程圖

圖5 仿真系統電路圖

表3為單臺10 kV變壓器接入電動汽車充電和整個35 kV片區配電網下電動汽車充電的疊加分別對應的谷值、峰值和峰谷差。通過仿真結果表明：在采用多智能體的雙向充電模式能夠較好地有效減小電網峰谷差。

表3 多智能體雙向充電和無序充電模式的結果對比

3 結論

本文針對電動汽車接入電網后的充電優化展開研究，基于多智能體的雙向充電樁具有良好的動態性能。仿真結果表明，雙向充電模式能夠有效減小電網峰谷差，并且電流平滑性好，對電動汽車的電池損耗低。