基于simulink的V2G充放電機(jī)建模與仿真

楊偉新，黃 梅

（北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044）

目前，隨著智能電網(wǎng)項(xiàng)目的啟動(dòng)和大規(guī)模建設(shè)充電站規(guī)劃的實(shí)施，V2G（Vehicle to Grid）正成為研究熱點(diǎn)。V2G是指電動(dòng)汽車(chē)作為移動(dòng)儲(chǔ)能單元在受控狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的能量和信息的雙向交換功能。文獻(xiàn)[1]對(duì)V2G的可行性進(jìn)行了詳細(xì)分析。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]的描述，具有V2G功能的充電站應(yīng)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)峰和應(yīng)急電源3項(xiàng)基本功能。 文獻(xiàn)[2]提出了一種電動(dòng)汽車(chē)充放電系統(tǒng)模型，但是這種模型功能單一，只能并網(wǎng)運(yùn)行運(yùn)用于電動(dòng)汽車(chē)電池充放電維護(hù)，滿足不了文獻(xiàn)[1]介紹的具有V2G功能充電站的應(yīng)用。

筆者在文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上對(duì)文獻(xiàn)[2]提出的充放電系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)和完善，建立了能夠?qū)崿F(xiàn)充電站調(diào)頻、調(diào)峰和應(yīng)急電源3項(xiàng)基本功能的充放電機(jī)仿真模型。

圖1 充放電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 The topology of bi-directional charger

1 V2G充放電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)能能量的雙向流動(dòng)和各個(gè)功能，主電路的拓?fù)溆蔁o(wú)隔離雙向半橋DC/DC結(jié)構(gòu)和以IGBT為開(kāi)關(guān)管的三相橋式結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。充放電機(jī)的交流測(cè)與三相電網(wǎng)或重要負(fù)荷連接，直流側(cè)與電動(dòng)汽車(chē)連接。

直流變換部分是無(wú)隔離雙向半橋DC/DC結(jié)構(gòu)。放電時(shí)VT2處于常斷狀態(tài)，VT1處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，相當(dāng)于BOOST變換器。通過(guò)控制VT1的通斷調(diào)節(jié)占空比來(lái)控制輸出電壓。充電時(shí)VT1處于常斷狀態(tài)，VT2處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，相當(dāng)于BUCK變換器，這一結(jié)構(gòu)可以靈活的根據(jù)充電的具體要求轉(zhuǎn)換控制方式，實(shí)現(xiàn)控制輸出電壓或電流的目的。該結(jié)構(gòu)具有使用元件少、體積小、效率高的優(yōu)點(diǎn)。

交直變換部分是以IGBT為開(kāi)關(guān)管的三相橋式結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的相控橋式電路雖然在過(guò)去數(shù)十年中，為滿足不同的工作應(yīng)用場(chǎng)合已經(jīng)起到了不可或缺的作用，但是傳統(tǒng)的變換方法存在若干問(wèn)題，如：功率因數(shù)低，使得線路損耗較大；注入電網(wǎng)的諧波過(guò)大，產(chǎn)生電磁干擾等。為解決這些問(wèn)題并適應(yīng)這些，采用以全控器件作為開(kāi)關(guān)管的三相橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成為趨勢(shì)。這種結(jié)構(gòu)可以通過(guò)PWM控制方便的實(shí)現(xiàn)AC/DC、DC/AC的轉(zhuǎn)化。與傳統(tǒng)的相控整流電路相比，此結(jié)構(gòu)還具有體積小、重量輕和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度高的優(yōu)點(diǎn)。

2 控制模型的建立

2.1 總體控制模型

充放電機(jī)模型全部采用simulink模塊塔建，根據(jù)V2G充放電機(jī)的功能，控制部分主要分為恒流控制、BUCK恒壓控制、BOOST恒壓控制、電流電壓雙閉環(huán)控制、電壓PID控制和功率電流雙閉環(huán)控制6個(gè)子模塊。各個(gè)階段的功能由不同的子模塊組合完成，根據(jù)指示完成各個(gè)功能的轉(zhuǎn)換。

表1 控制子模塊功能分布Tab.1 The distribution of the control submodule

2.2 交直變換控制部分

在充電整流階段，電能從電網(wǎng)經(jīng)過(guò)PWM整流橋，PWM的控制采用為達(dá)到功率因數(shù)正弦波電流的雙閉環(huán)控制。電流內(nèi)環(huán)的作用是按電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制，為了達(dá)到較快的電流跟隨性能，本文按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流PI調(diào)節(jié)器。電壓外環(huán)的作用是控制三相PWM整流器的直流側(cè)電壓，應(yīng)著重考慮電壓環(huán)的抗擾性能，因此按照典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器。

實(shí)現(xiàn)調(diào)峰、調(diào)頻功能時(shí)充放電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)通過(guò)調(diào)節(jié)電流可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出功率的目的，所以采用直接電流跟蹤控制，使用功率電流雙閉環(huán)控制。電流內(nèi)環(huán)是按功率外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制，功率外環(huán)的作用是穩(wěn)定輸出功率同時(shí)根據(jù)電壓頻率，以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

緊急電源功能在電網(wǎng)故障的情況下使用，這是充放電機(jī)就失去了電網(wǎng)的電壓嵌位作用。所以為了實(shí)現(xiàn)一功能時(shí)，采用電壓環(huán)PID控制，實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出電壓與指定信號(hào)比較，控制輸出電壓幅值與頻率跟蹤給定信號(hào)。

2.3 直直變換控制部分

為實(shí)現(xiàn)充電模式的選擇，分別建立恒流和恒壓兩個(gè)不同的控制模塊。恒流階段采用電流跟蹤控制占空比，從而控制開(kāi)關(guān)管的通斷，控制輸出電流恒定在一定值，電流值可根據(jù)需要和電池特性選擇。恒壓控制根據(jù)輸出電壓與輸入電壓計(jì)算占空比，然后根據(jù)計(jì)算所得占空比實(shí)時(shí)輸出控制脈沖。同時(shí)對(duì)電池SOC進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)根據(jù)SOC情況切換充電方式，實(shí)現(xiàn)恒壓恒流組合充電方式。

直直變換部分控制單元根據(jù)要求分為3部分，第一部分應(yīng)用于放電階段恒壓控制單元，第二部分應(yīng)用于充電階段的恒壓階段控制單元，第三部分應(yīng)用在充電階段的恒流階段控制單元。放電階段直直變換部分相當(dāng)于BOOST變換器，而充電階段相當(dāng)與BUCK變換器，所以放電階段恒壓控制單元采用公式（1）計(jì)算占空比，充電階段采用公式（2）。

式中：U0是直流變換器輸出電壓；Ud是直流變換器輸入電壓；D是占空比；T是開(kāi)關(guān)周期；toff關(guān)斷時(shí)間；ton是開(kāi)通時(shí)間。

恒壓控制子單元分為兩部分，如圖2所示。第一部分采用前饋控制方法，根據(jù)輸入的開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)頻率、DC/DC變換器實(shí)測(cè)的電池端電壓和給定的輸出電壓計(jì)算占空比并輸出，計(jì)算開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)間Ts和開(kāi)關(guān)周期T。第二部分S2是脈沖波的產(chǎn)生與輸出模塊，可以根據(jù)出入的Ts和T實(shí)時(shí)控制脈沖的輸出。

圖2 恒壓控制子模塊圖Fig.2 Constant pressure control sub-modular

首先通過(guò)S函數(shù)計(jì)算仿真開(kāi)始時(shí)刻，然后將仿真時(shí)刻減去開(kāi)始時(shí)刻的到仿真時(shí)間t。Rem函數(shù)是一種采用fix函數(shù)的取余運(yùn)算。公式如下：

將t和周期T分別帶入rem函數(shù)計(jì)算t1，t1是在某一個(gè)周期內(nèi)仿真執(zhí)行的時(shí)間。通過(guò)t1和導(dǎo)通時(shí)間ts的差U判斷輸出類(lèi)型，當(dāng) U＜0時(shí)，t1＜ts開(kāi)關(guān)管處于導(dǎo)通階段，輸出脈沖 1。 U＞0時(shí)，t1＞ts開(kāi)關(guān)管處于關(guān)斷階段，輸出脈沖0。將兩股信號(hào)合并后輸出連續(xù)脈沖波，控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)斷?？刂屏鞒倘鐖D3所示。

圖3 S2控制流程圖Fig.3 The control flow chart of S2

3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)分析搭建了實(shí)現(xiàn)緊急電源功能的電動(dòng)汽車(chē)充放電機(jī)的simulink仿真模型，如圖4所示?？刂茊卧饕葿OOST恒壓控制和電壓PID控制組成。

電動(dòng)汽車(chē)的儲(chǔ)能單元采用simulink內(nèi)部自帶的鋰離子電池模型（300 V、100 Ah）模擬。標(biāo)稱(chēng)放電電流為0.4 C時(shí)的放電特性，如圖5所示。

圖4 實(shí)現(xiàn)緊急電源功能的simulink仿真截圖Fig.4 The picture of simulink model of the function of EPS

圖5 鋰電池放電特性Fig.5 The discharge characteristics of lithium batteries

中間平衡電壓采用700 V。提高開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率可以減小變換器的體積和重量，降低變換器的工作噪音，而一般IGBT的開(kāi)關(guān)頻率為20 kHz，所以DC/DC變換的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)為 20 kHz，根據(jù)電壓紋波系數(shù)計(jì)算，取 C1=500 μF、C2=200 μF。 根據(jù)電流紋波系數(shù)和連續(xù)臨界值計(jì)算，取L1=0.1 mL。0.1 s內(nèi)的仿真結(jié)果如圖6所示。

設(shè)置SOC初始值為80%，根據(jù)圖5所示電池端電壓較長(zhǎng)時(shí)間平衡在322 V左右，仿真結(jié)果可以模擬SOC降到20%時(shí)間內(nèi)充放電機(jī)的情況，當(dāng)SOC低于20%時(shí)退出運(yùn)行。輸出中間平衡電壓范圍是728～737 V，有效值為729.3 V，與設(shè)置值的誤差為4.1%。根據(jù)公式（1）計(jì)算占空比值為0.558 4。實(shí)測(cè)占空比為D=0.538 6-0.539 5，如圖6所示。根據(jù)設(shè)置的輸出電壓為700 V，占空比的計(jì)算值為0.543。與實(shí)測(cè)D的誤差為0.6%～0.8%，與根據(jù)實(shí)測(cè)中間平衡電壓計(jì)算的占空比誤差是2.7%。圖7和圖8給出了輸出三相電壓、調(diào)制系數(shù)M、線電壓Uab、相電壓Ua波形。Ua的有效值為219.2，與實(shí)際值的誤差為：0.36%。調(diào)制系數(shù)經(jīng)過(guò)25 ms達(dá)到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)定值為0.856。對(duì)a相線電壓進(jìn)行了諧波分析，如圖9所示。總諧波THD=1.68%，符合電網(wǎng)的入網(wǎng)要求。

圖6 占空比波形圖Fig.6 The waveform of duty cycle

圖7 輸出三相電壓的標(biāo)么值與調(diào)制系數(shù)波形圖Fig.7 Waveform of the per-unit value of the three-phase voltage and M

圖8 線電壓Uab濾波前后與相電壓Ua波形Fig.8 The waveform of Uabbefore and after filtering and Ua

圖9 相電壓Ua的諧波分析Fig.9 Harmonic analysis of phase voltage Ua

4 結(jié) 論

通過(guò)分析表明，該模型有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值誤差在允許的范圍之內(nèi)，輸出三相波形能很好的跟蹤參考波形，諧波含量少，波形平穩(wěn)波動(dòng)小，能夠?qū)崿F(xiàn)充放電機(jī)作為緊急電源這一功能。只要有足夠的容量，完全可以滿足用戶的要求。

通過(guò)對(duì)充放電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制單元的建模分析，并對(duì)其中一種功能仿真，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充放電機(jī)的模型有了初步認(rèn)識(shí)，為進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。

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