V2G模式下的電動汽車充放電控制思路探究與討論

呼延洪

摘 要：電動汽車屬于動態負荷，充電行為的隨機性較強，對電網具有較大影響。當電動汽車大規模無序充電的過程中，在很大程度上降低了電網運行的安全可靠性。因此，人們要積極探索科學有效的控制措施，控制電動汽車有序充放電，改善相應區域電網的負荷特性，確保電網運行的穩定性、經濟性。基于此，本文首先對V2G技術進行了闡述，然后分析了V2G雙向充放電裝置的基本結構，提出相應的控制策略，最后深入探究V2G控制系統的設計。

關鍵詞：V2G模式 電動汽車 充放電控制思路 探究

電動汽車在安全行駛過程中，需要電池提供充足的電能，而電池是一種儲能元件，能夠從系統吸取電能，并在電網負荷處于高峰的狀態下，可以借助V2G技術將能量安全輸送給系統。因此，在V2G模式下，主動探究電動汽車充放電控制思路，創新其控制策略，有效引導用戶有序進行電動汽車的充放電，對提高電網運行的安全穩定性、接納可再生能源的能力具有十分重大的現實意義。

1 V2G技術闡述

1.1 概念

V2G技術主要是借助電氣、計算機、通信等多個學科的專業知識和技能，實現電動汽車和電網互動。當電動汽車為空閑狀態時，借助相應的蓄電池，有效儲存能量，在智能電網的聯通下完成削峰填谷，促進電動汽車有序充放電。

基于V2G模式下電動汽車電池作為儲能單元，當其電量低于電網負荷時，借助電網能量流動，為電動汽車補充電量，促進其安全穩定運行。當電網負荷較高時，電動汽車處于空閑狀態，借助相關電子設備反饋將電能有效輸送給電網。當電動汽車不運行時和電網有效連接，當其達到相應數量的情況下，可以將這些電動汽車的蓄電池當作分布式儲能單位，完成電網的基礎服務。電動汽車和電網之間，借助多種方式進行聯通，并在相對應的連接系統平臺內，電能可以向電網有效轉換部分火力發電、風能發電等部分可再生新能源的轉換，促進兩者之間的能量有效流動和利用[1]。電動汽車用戶可以在電價低時，從電網買電，電價高時結合實際情況向電網售電，獲得相應的經濟收益。

1.2 實現方式

（1）集中式V2G。通常情況下，電動汽車在大型場合的數量較多。可以將其看作一個群體，并結合當地電網運行的實際情況，對電量的需求，合理調度場合類的電動汽車，選擇適宜的調度方式，對于各類汽車進行有序充放電，合理配置電能，有效緩解負荷增加的不良現象，提高電能利用率。當前較多企業應用了集中式V2G系統，將充電樁合理布置在大規模區域中心，有利于電動汽車有效完成充放電。相關學者對V2G技術進行深入研究，構建電網和電動汽車的應用平臺，通過該平臺發送調度信號，提高整個區域范圍內電動汽車調度效果。（2）自治式V2G。其實現方法主要是借助連接設備，將一輛電動汽車和電網進行聯通。電動汽車靈活性較高，在不同位置都能夠停放，數量多且分散。在夜間設置V2G的充電器，結合電網電能供給需求，進行夜間電網互聯、電能互補，有效突破時間和空間的局限性，但是該種實現方式需要兩者具有一定的智能程序和技術[2]。（3）基于微網實現方式。我國科學技術迅速發展，智能電網不斷完善，增加了微電網頻率，借助分布式電源等不同類型的平臺，形成小型配電系統，具有自動控制、保護管理等多項功能。結合微電網和V2G的特點，將電動汽車當作儲能設備有效連接微電網。4.基于更換電池的V2G實現方式。電動汽車換電站中包含較多更換的電磁，在確保部分電池電量充足，滿足用戶的換電需求，能夠集中利用其他電池，優化電網運行，形成大容量儲能系統，提高電網的基礎性服務。該種實現方式無需向電網接入電動汽車，對電動汽車的正常行駛不會產生任何影響，具有廣闊的應用前景。

2 V2G雙向充放電裝置結構

充放電裝置在V2G系統中具有十分重要的作用，是核心裝置，能夠保持能量能夠順利地雙向流動，進一步保障信息能夠雙向發送、接收，高效地完成充放電動作，保證系統處于安全穩定的運行狀態。其中雙向變換器在實際應用中，能夠更加精準控制電池的整體過程，在電動汽車充放電的過程中起到良好的調節作用，延長電池的使用周期。

電動汽車的蓄電池存儲能源，可以通過單級式、雙級式V2G變換器交換能量。系統在車載動力不同時，發出相對應的指令進行正常工作。如，充電的過程中，系統形成直流電，抵消諧波電流，實現電流正弦化；放電的過程中，系統產生一定的電壓，借助變換器進行針對性處理后并網，完成電動汽車電池放電。

2.1 AC-DC變換器拓撲結構

電動汽車在V2G系統中進行充放電，經歷過程存在一定差異性，而AC-DC變換器具有良好的應用效果，能夠滿足各項功能需求。選用雙向AC-DC變換電路的過程中，綜合分析電路設計功能是否符合要求，并考慮相應控制措施涉及的相關問題。AC-DC電路需要完成的功能主要體現在以下幾個方面：電動汽車充電中，在AC-DC變換電路中經過電網側電壓時，將其有效轉變為直流電壓，穩定性和功率因數較高；電動汽車放電中，將蓄電池直流電有效逆變為交流電，并且AC-DC變換電路能夠諧波電流，最大限度降低對電網穩定運行產生的不良影響。

三相電壓型變換器結構簡單，操作簡便，運行安全穩定性強，三相電流型變換器應用中實現電感更大，但是成本高，運行中容易受到多方面因素的影響，安全隱患多，并且對信號反饋相對緩慢。因此，本研究中選擇三相電壓型變換器，提高設備操作質量和效率，有利于電動汽車隨意轉變充放電狀態，并保持充放電的有效性與可靠性[3]。

2.2 DC-DC變換器拓撲結構

DC-DC變換器拓撲結構在實際應用中能夠有效控制電動汽車的充放電過程。因此，相關人員在電動汽車充放電控制過程中應當深入研究DC-DC變換器拓撲結構，發揮其應用優勢，提高該結構應用效果。DC-DC變換器中主要包含隔離、非隔離這兩種不同的類型，在使用過程中難易程度有所不同，前者相對繁雜，成本高，并對大多數電動汽車而言增加其負重；后者在實際應用中，控制驅動操作便捷，半橋結構簡單，涉及較少的器件，控制策略實現難度較低，轉換效率高。

3 電動汽車有序充放電控制策略

3.1 定時模式

結合電動汽車的實際情況進行分析，平均每天有90%的時間為空閑狀態，為V2G定時充電模式策略的實現提供了可能。該策略實施的過程中，主要將可統一調度的電動汽車，在峰荷時段、谷荷時段分別進行集中放電、充電，有效實現削峰填谷的目的。定時模式在實際應用中，需要相關人員結合實際情況，按照各項要求，預先設定電動汽車充放電時間，并綜合判定電動汽車是否處于充電時段，并分析車載電池能否達到充電要求，當其滿足各項要求的情況下，及時發出指令，傳送給動力電池有序完成充放電。

3.2 負荷整形模式

該控制策略在實際應用過程中，需要研究人員根據實際情況，準確計算負荷曲線的平均值，并以此為基礎，確定基準負荷功率，V2G充電樁以可變功率高效完成充放電。在電動汽車充放電的過程中，綜合判斷其實際情況，可以實時計算負荷功率，將其和預先設定的數值進行對比分析，兩者的差值能夠有效體現出充放電狀態。如，預先設定基準負荷功率，通過全面檢測，并準確計算負荷功率和設定值的差值為零時，表明電動汽車未進行充放電操作，反之，代表其處于充放電狀態[4]。

3.3 定峰模式

該控制策略應用中，研究人員應當明確邊界條件，以負荷量為基礎，并基于V2G系統，實現電動汽車集中式充放電，達到削峰填谷的目的，在此過程中，通過變壓器具體容量決定負荷量，合理設定具體參量，當其大于變壓器額定容量80%時，代表電動汽車處于放電狀態；小于其70%時，處于充電狀態；在變壓器額定容量的70%-80%時，表明其不參與負荷曲線的調整。另外，研究人員合理設定上下邊界條件，針對性檢測負荷曲線所在區間，綜合判定車載電池的實際情況，確保其符合充放電條件的情況下，向其發出相應的指令。

3.4 V2G和儲能配合模式

基于負荷整形模式策略，將負荷功率和設定值的差值（ΔP1）超出電動汽車充放電功率范圍的部分，表示為ΔP2，借助儲能電池消納該超出的部分，進一步調整電網負荷曲線，獲得良好的削峰填谷效果。該控制策略的流程（如圖1所示），V2G充電樁和儲能電池的充放電功率分別表示為PEV、PBA。該控制策略在實際應用中，主要是基于負荷整形模式，增加儲能電池，通過補充ΔP2而實現。

4 V2G模式下的電動汽車充放電控制系統設計

4.1 整體V2G控制系統

該控制系統中包含電壓源型逆變器控制部分、DC-DC模塊，測試電網電壓、電流等，并合理設置相關參數，對電網和電動汽車的能量轉換進行針對性控制。在不同電網的運行條件下，需要3個電壓、電流信號，需要設計人員詳細分析電網的實際狀況，獲得電壓、電流信號形式。VIS控制模塊主要借助鎖相環，實時跟進相關電壓、電流等信號，獲取各項實時數據，如幅值、頻率等，并針對性調節回路，對有功和無功功率等各項參數進行全面分析，并研究這些參數生成相應的調制函數，從而獲得脈沖寬度調制信號。

4.2 變換器控制設計

AC-DC雙向變換器在實際應用過程中，基于空間矢量，借助級聯獲得良好的控制效果。借助電壓外環針對性控制整個系統的電壓，進一步保障系統運行的安全穩定性。例如，電壓由電壓環控制，生成參考電流，合理調節系統運行狀態，并通過電壓環、電流環之間的互相作用，有效控制V2G模式下的電動汽車充放電控制系統中的相關參數。在操作中，結合有功和無功功率參數，明確基準電流，輸出功率受到相關因素的影響，具有不同的變化，借助電流、電壓的控制，有效調節整體功率。如，有功功率發生一定程度的變化，就會獲得相對應的基準電流，從而對無功功率的參數進行控制和改變，獲取所需的基準電流[5]。

利用電流內環、電壓外環對DC-DC變換器實現雙閉環控制，提高控制效果，促進整個系統穩定運行。在實際操作中，對直流母線電壓、直流母線電壓參數進行對比分析，通過PI調節后，與電池側實際電流進行比較，獲得相應結果通過比例積分環節調節，生成脈寬調制信號，從而對DC-DC雙向變換器具有良好的控制效果。

4.3 鎖相環設計

鎖相環設計過程中，電動汽車饋電時，讀取電網電壓的相應參數，進行并網。在不同電網中，鎖相環以正交正弦信號，對比系統內的信號，獲得電網電壓參數。因此，當電動汽車和不同電網進行聯通時，發聵情況存在一定差異。如，三相電網，借助Clark變換獲取信號；單相電網，借助濾波器，信號會有所延遲。因此，單相電網實時跟進情況和次數會在一定程度上有所降低。因此，整個系統設計過程中，優化鎖相環模塊，便于系統運行中，電壓信號通過設計的正交信號共同借助Clark進行優化，獲得α-β信號，并進行實際操作進行坐標轉換，獲得相位差，具有相關信息，并利用計算方式，獲得結果參數，當作積分環節的輸入，從而計算出電壓相位角θg。

4.4 基準電流

電動汽車充放電的過程中，合理調節相關有功功率（Pref）和無功功率（Qref），產生相對應的正負值，同時進行充放電、能量轉換的雙重功能。當整個系統穩定運行的過程中，鎖相環設計能夠有效調節q軸內的分量，實現uq為零，并給出d軸的ud，之后通過變換，獲得基準電流，計算過程為：

4.5 傳遞函數選取

在系統實際運行中的傳入信號uq、電網電壓各項參數計算出電壓相位角θg等。當傳入信號為零時，d軸分量、電網電壓矢量相位一致，有效鎖定相位。同時，在系統運行中，能夠實現q軸的分量鎖定，就可以有效實現相位鎖定。從而在該情況下，傳遞函數輸出為電網電壓的頻率值ω，從而借助一階的比例積分控制器，傳遞函數H（s）為：

公式中，KP代表比例增益；

KI代表積分增益。

獲得所需電網電壓的頻率值之后，通過積分環節獲得電壓相位角。

5 結語

本文基于V2G模式，深入探討了電動汽車充放電控制策略，詳細分析了V2G技術的概念和實現方式，充分發揮其重要作用，以變換器作為整個控制系統的中樞、負載功能，并起到功率雙向流動的作用。但是，V2G變換器在實際應用中其運行方式相對復雜，對其進行研究，有利于V2G變換器不斷進步和發展，實現V2G變換器雙向放電策略，有效控制電動汽車有序進行充放電。

參考文獻：

[1]周靜雯，黃勇，來春慶，等. 基于V2G技術的電動汽車充放電系統拓撲結構及控制策略研究[J]. 湖北民族大學學報（自然科學版），2023，41（2）：232-239.

[2]王力立. 基于V2G的電動汽車雙電力接口充電樁[J]. 電力設備管理，2022（16）：102-104.

[3]馮萬富，劉姝，董鶴楠，等. 滿足配電網平衡的電動汽車充放電控制策略研究[J]. 沈陽工程學院學報（自然科學版），2022，18（4）：36-42.

[4]鮑振鐸. 基于V2G模式下的電動汽車充放電控制方式研究[D]. 寧夏：寧夏大學，2022.

[5]張博文，李練兵，景睿雄. 基于多目標優化的電動汽車V2G充放電控制策略研究[J]. 光源與照明，2022（9）：135-137.