基于V2G技術(shù)的電動(dòng)汽車充放電站建模及控制策略

黃秋燕，楊 志

基于V2G技術(shù)的電動(dòng)汽車充放電站建模及控制策略

黃秋燕，楊 志

(星星充電，江蘇 常州 213000)

隨著電動(dòng)汽車普及率的提高，利用V2G技術(shù)使電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻成為可能。基于V2G技術(shù)，首先對(duì)電動(dòng)汽車充電站進(jìn)行建模，其次探究其控制策略及優(yōu)勢(shì)。

充電站；調(diào)峰調(diào)頻；V2G；充放電控制策略

0 引言

我國(guó)對(duì)V2G技術(shù)的研究起步相對(duì)較晚，研究主要集中在V2G技術(shù)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益及運(yùn)營(yíng)模式，充電站的選址規(guī)劃，對(duì)V2G技術(shù)的建模以及參與電網(wǎng)的各類應(yīng)用的研究一般都基于小型系統(tǒng)，大型V2G系統(tǒng)的建模分析和控制策略研究較少[1]，因此，本文主要研究基于V2G系統(tǒng)的電動(dòng)汽車充電站的建模及其控制策略。

1 V2G系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與建模

V2G充放電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電能與電網(wǎng)電能的雙向流動(dòng)，基本拓?fù)錇殡p向AC/DC變換器與雙向隔離DC//DC變換器組成。

V2G充電站的結(jié)構(gòu)有共直流母線結(jié)構(gòu)與共交流母線結(jié)構(gòu)，共交流母線更方便靈活，共直流母線節(jié)省成本[2-4]。

1.1 AC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及建模

AC/DC變換器已研發(fā)和使用多年，具有多種不同的類型，通常可以分為單相和三相，按照電路結(jié)構(gòu)不同可以分為全橋和半橋電路。三相PWM整流器在大功率場(chǎng)合中應(yīng)用較多，通過(guò)合理的控制方式，其功率因數(shù)可以接近1，本文選擇三相電壓源新PWM作為充電機(jī)前級(jí)AC/DC拓?fù)洌鐖D1所示。

圖1 三相電壓源型PWM整流器主電路拓?fù)?/p>

由基爾霍夫定律，根據(jù)電路拓?fù)淇傻梦⒎址匠蘙5]：

變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下：

令導(dǎo)數(shù)項(xiàng)為零，且使電網(wǎng)電壓合成的通用矢量V與d軸方向重合，進(jìn)一步得到穩(wěn)態(tài)控制方程[6]：

目前廣泛使用雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)控制策略搭建控制框圖，如圖2所示

1.2 DC//DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及建模

雙向DC//DC拓?fù)洳捎肅LLC諧振變換器拓?fù)洌粌H可以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，同時(shí)可以通過(guò)ZVS技術(shù)，消除開(kāi)關(guān)管開(kāi)通損耗，主電路拓?fù)淙鐖D3所示。

目前描述諧振變換器增益函數(shù)的方法主要有三種，分別是基波等效法(FHA)、仿真分析法以及時(shí)域分析法。為簡(jiǎn)化諧振變換器設(shè)計(jì)過(guò)程、提高變換器轉(zhuǎn)換效率，一般需保證流過(guò)高頻變壓器上的電流波形具有良好的正弦度，本文采用基波等效分析法進(jìn)行分析。CLLC諧振變換器基波等效電路模型如圖4所示[7]。

圖3 CLLC諧振變換器的電路結(jié)構(gòu)

圖4 CLLC諧振變換器的基波等效模型

定義如下阻抗：

可求得該諧振變換器基波簡(jiǎn)化電路傳遞函數(shù)為：

定義歸一化頻率為

特征阻抗值為

品質(zhì)因數(shù)為

勵(lì)磁電感與諧振電感比：

副邊等效電容與原邊諧振電容比為

通過(guò)化簡(jiǎn)可得CLLC諧振型變換器的增益M表達(dá)式為[8]

CLLC諧振變換器采用電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)競(jìng)爭(zhēng)控制，如圖6所示，電壓環(huán)和電流環(huán)各自經(jīng)過(guò)PI控制器得到閉環(huán)輸出量，通過(guò)比較電壓環(huán)和電流環(huán)的閉環(huán)輸出量來(lái)得到開(kāi)關(guān)頻率。

圖6 CLLC諧振變換器的控制框圖

2 V2G參與電網(wǎng)調(diào)峰的控制策略

V2G充電站主要針對(duì)電網(wǎng)高峰負(fù)荷進(jìn)行調(diào)峰，通過(guò)模擬負(fù)荷曲線來(lái)進(jìn)行，同時(shí)將發(fā)電成本、充電成本、用戶響應(yīng)程度、用戶收益等作為優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)參與V2G的車輛數(shù)目計(jì)算合理的充換電時(shí)序[9-11]。

2.1 目標(biāo)函數(shù)及約束條件

約束條件：

2.2 優(yōu)化算法

V2G參與調(diào)峰就是通過(guò)目標(biāo)函數(shù)尋找最優(yōu)解從而得出最優(yōu)化的電動(dòng)汽車充放電策略，目前研究較多的智能算法有粒子群優(yōu)化算法和遺傳算法[12]。

1) 粒子群優(yōu)化算法。粒子群算法是一種進(jìn)化計(jì)算技術(shù)，原理是一種不斷迭代的優(yōu)化計(jì)算技術(shù)，此類算法通過(guò)鳥(niǎo)類群體覓食的行為展開(kāi)迭代，從一個(gè)解開(kāi)始不斷迭代，最終找到最優(yōu)解，此算法通過(guò)目標(biāo)函數(shù)也就是其適應(yīng)度去判斷尋優(yōu)解的優(yōu)良程度。

2) 遺傳算法。遺傳算法是一種基于生物界規(guī)律和自然遺傳機(jī)制的并行搜索算法。其主要特征是群體間的搜索方法以及群體中個(gè)體信息的交換。在智能充放電策略中，遺傳算法的校驗(yàn)位正好用來(lái)代替新能源汽車的充放電狀態(tài)，有效地選擇和交叉方法可以減少基因遺漏，增強(qiáng)全局收斂性和運(yùn)算速率。

3 結(jié)論

本文首先介紹了充電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)充電機(jī)的AC/DC和DC//DC分別建模以及提出了各部分的控制策略，基于V2G參與電網(wǎng)調(diào)峰構(gòu)建了優(yōu)化函數(shù)及約束條件，最后對(duì)比了兩種優(yōu)化算法的特點(diǎn)。未來(lái)隨著電動(dòng)汽車普及率的提升，V2G模式下電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)控制將會(huì)廣受關(guān)注，也會(huì)出現(xiàn)更多新的問(wèn)題有待解決。

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Modeling and control strategy of EV charge and discharge station based on V2G

HUANG Qiuyan, YANG Zhi

(Start Charge, Changzhou 213000, China)

With the increasing popularity of electric vehicles, V2G technology makes it possible for electric vehicles to participate in power grid peak-modulation. Based on V2G technology, this paper first conducts modeling for EV charge stations and explores its control strategies and advantages.

charge station; peak and frequency adjustment; V2G; control strategy of charging and discharging

2020-09-11

黃秋燕(1986—)，女，通信作者，碩士，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車充放電技術(shù)。E-mail: qiuyan.huang@wbst