面向智能電網(wǎng)電動汽車雙向充饋電裝置的設(shè)計(jì)

張凱，于慶廣，王立雯，宋力

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京100083；2． 清華大學(xué) 電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京100084；3.寧夏電力公司 中衛(wèi)市供電局，寧夏 中衛(wèi)755000）

1 引言

電動汽車車載電池作為一個儲能裝置[1]主要由電池和電網(wǎng)接入系統(tǒng)組成，由于電池儲能系統(tǒng)在負(fù)荷平定、不間斷電源、電能質(zhì)量治理等方面有很高的應(yīng)用價值，近年來受到各國的普遍關(guān)注[2－3]。

從電路結(jié)構(gòu)來看，傳統(tǒng)的電動汽車充電裝置由分開的充電環(huán)節(jié)和放電環(huán)節(jié)分別完成蓄電池的充放電過程，就單個系統(tǒng)而言管理簡單，但考慮到整個系統(tǒng)就增加了系統(tǒng)模塊數(shù)量和復(fù)雜性。本文通過對以往設(shè)計(jì)的綜合研究，設(shè)計(jì)了一種在單H 橋上實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)整流和蓄電池并網(wǎng)饋電的裝置，并通過人機(jī)界面進(jìn)行能量的流動方向和充饋電方式的選擇，“綠色”充饋電電源方案的設(shè)計(jì)使結(jié)構(gòu)和性能更加優(yōu)越。

相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明[4]，90%以上的車輛95%的時間處于停駛狀態(tài)，當(dāng)電動汽車市場滲透率達(dá)到一定的規(guī)模，通過適當(dāng)?shù)募畲胧┕膭铍妱悠囉脩粼谲囕v停駛時，將電動汽車作為可移動的分布式儲能裝置接入電網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)電能雙向可控流動。 這樣電網(wǎng)企業(yè)和電動汽車用戶將獲得雙贏，對電網(wǎng)企業(yè)：電動汽車用于儲能和控制負(fù)荷，能提高用電低谷時段電能的利用率；在負(fù)荷高峰時向電網(wǎng)釋放多余電能，協(xié)助電網(wǎng)滿足高峰負(fù)荷需求，以降低新建發(fā)電機(jī)組的投入；電網(wǎng)停電時用作備用電源，提高電網(wǎng)可靠性。 對電動汽車用戶：可以在負(fù)荷低谷時低價充電；根據(jù)需要在負(fù)荷高峰時以高價回售電網(wǎng)，進(jìn)一步降低電動汽車的使用成本，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的用電模式[5－6]。

2 充饋電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的整流并網(wǎng)能量雙向流動的充放電裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。 主電路由一個全橋電路及逆變側(cè)工頻電感L1、并網(wǎng)側(cè)工頻電感L2和LC 濾波電容C1及直流側(cè)濾波電容C2組成。 圖1中，整流過程參考量為：V1檢測的電網(wǎng)電壓us，A1檢測的電網(wǎng)側(cè)電流Is，V3檢測的直流電壓udc，A2檢測的直流電流Idc；逆變過程參考量為：電網(wǎng)電壓us，V2檢測的逆變電壓uo，A1檢測的間接并網(wǎng)電流Is、直流電壓Udc。

圖1 系統(tǒng)主電路拓?fù)銯ig.1 Main circuit topology of system

3 雙向充饋電系統(tǒng)工作原理

圖2為電網(wǎng)側(cè)能量流動環(huán)節(jié)等效電路圖。 圖2中Us為電網(wǎng)電壓Us的基波相量；UL為電感L1和L2兩端電壓的基波相量；UAB為直流側(cè)電壓Udc經(jīng)SPWM 調(diào)制后的交流側(cè)電壓UAB的基波相量；Ⅰs為并網(wǎng)電流Is的基波相量。

圖2 電網(wǎng)側(cè)等效電路Fig.2 Equivalent circuit of grid-side

穩(wěn)態(tài)條件下，忽略電網(wǎng)電壓的諧波分量，有Us=jωLⅠs+UAB，理想條件下假設(shè)并網(wǎng)電流幅值為|Is|，電感電壓幅值|UL|=ωL|Is|，假定電網(wǎng)電壓保持不變，則整流橋交流側(cè)電壓將在一個圓上運(yùn)動[7]，電壓矢量圖如圖3所示。

圖3 電網(wǎng)側(cè)能量流動向量圖Fig.3 Phasor diagram of grid-side energy flow

由圖3可以得知，UAB在圓上沿A—B—C—D—A 運(yùn)動時，功率因數(shù)φ（Us與Ⅰs夾角）的變化為90°— 0°— -90°— -180°— 90°，即H橋工作在1—4—3—2—1 象限。 因此，可以通過UAB的幅值和相位來控制電感兩端的電壓UL，從而控制Ⅰs的幅值和相位，實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動。圖3b 中功率因數(shù)為1，直流側(cè)只向電網(wǎng)吸收有功功率，圖3d 功率因數(shù)為-1，直流側(cè)只向電網(wǎng)回饋有功功率，本文選擇這兩種情況作為工作點(diǎn)。

4 充饋電系統(tǒng)邏輯控制策略的設(shè)計(jì)

4.1 整流充電模式

圖4為恒壓（恒流）控制框圖，U*dc為直流側(cè)電壓參考值，I*dc為直流側(cè)電流參考值，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)恒壓充電、恒流充電、恒流/恒壓充電。系統(tǒng)將充電電壓/充電電流進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)后跟蹤電網(wǎng)電壓的相位，雙環(huán)控制實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)整流[8]。

圖4 整流恒壓（恒流）控制框圖Fig.4 Design block diagram of control constant voltage（current）rectifier

4.2 并網(wǎng)饋電模式

圖5為并網(wǎng)之前進(jìn)行電壓控制的框圖，其中Usrms為電網(wǎng)電壓有效值，Uorms為逆變電壓有效值，Uo為逆變電壓瞬時值，變流器逆變電壓經(jīng)過L1，C1濾波成正弦波形，逆變電壓有效值和瞬時值雙環(huán)控制加上電網(wǎng)電壓前饋，共同構(gòu)成并網(wǎng)之前的逆變電壓有效地跟蹤電網(wǎng)電壓。

圖5 饋電并網(wǎng)前電壓控制框圖Fig.5 Voltage control block diagram before grid-connected

圖6 饋電并網(wǎng)后電流控制框圖Fig.6 Current control block diagram after grid-connected

圖6為并網(wǎng)之后電壓不控而進(jìn)行電流控制的框圖。 圖6中I*srms為并網(wǎng)電流的參考有效值，Isrms為并網(wǎng)電流的計(jì)算有效值，系統(tǒng)并網(wǎng)條件滿足后進(jìn)行合閘并網(wǎng)，此時系統(tǒng)由并網(wǎng)前的電壓控制轉(zhuǎn)為并網(wǎng)后的電流控制，有效值和瞬時值雙環(huán)控制再加上電網(wǎng)電壓前饋控制可使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

5 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的雙向變流器及其控制策略的有效性，搭建了3 kW 的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。樣機(jī)主控制器選用TMS320F2812，輔助控制器選用Xilinx公司的Spartan-3E 系列的FPGA，其中DSP 完成主要控制功能，F(xiàn)PGA 完成脈沖發(fā)生、IO 口緩沖、系統(tǒng)保護(hù)等功能，開關(guān)管選用三菱公司的IPM（PM150CL1A120），人機(jī)控制界面采用威綸通的MT6070iH，整流饋電以及充電模式的選擇均可在人機(jī)界面上實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)整流運(yùn)行時，直流側(cè)采用40 Ω 的電阻作為負(fù)載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并網(wǎng)饋電運(yùn)行時直流側(cè)采用400 V 左右的直流電壓模擬蓄電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

系統(tǒng)主要參數(shù)為：電網(wǎng)側(cè)電感L1=3 mH，電網(wǎng)側(cè)電感L2=2 mH，電網(wǎng)側(cè)電容C1=35 μF，直流側(cè)電容C2=2 200 μF，電網(wǎng)電壓Us=220 V，直流側(cè)電壓Udc=400 V，開關(guān)頻率10 kHz。

5.1 穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)分析

圖7為整流充電狀態(tài)下穩(wěn)態(tài)波形，可以看出電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電流同相位，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)整流，對電網(wǎng)諧波污染少，并且直流側(cè)電壓和電流紋波波動在允許范圍內(nèi)，系統(tǒng)性能滿足設(shè)計(jì)要求。 本設(shè)計(jì)具備多種充電模式：恒壓充電，恒流充電，恒流/恒壓充電即先以大電流恒流充電，電池電壓升高后轉(zhuǎn)為恒壓充電。

圖8為并網(wǎng)饋電狀態(tài)穩(wěn)態(tài)波形，可以看出電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電流相位反向，系統(tǒng)向電網(wǎng)回饋電能，實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流動。

圖7 整流充電穩(wěn)態(tài)波形Fig.7 Steedy-state waveforms of rectifier charging

圖8 并網(wǎng)饋電穩(wěn)態(tài)波形Fig.8 Steedy-state waveforms of grid-connected feed system

此外，因?yàn)榫哂胁⒕W(wǎng)功能，本設(shè)計(jì)可擴(kuò)展空間大大增加，還可與光伏發(fā)電和風(fēng)機(jī)發(fā)電配合實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)饋電功能。

5.2 暫態(tài)實(shí)驗(yàn)分析

圖9為整流系統(tǒng)啟動時和突加減負(fù)載時的波形，整流啟動先進(jìn)行不可控整流待電壓升高后進(jìn)行電壓控制，電壓電流波動均在允許范圍內(nèi)，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

圖9 整流系統(tǒng)暫態(tài)波形Fig.9 Transient waveforms of rectifier system

圖10 饋電系統(tǒng)暫態(tài)波形Fig.10 Transient waveforms of feed system

圖10為饋電系統(tǒng)暫態(tài)波形。 圖10a 為并網(wǎng)之前控制逆變電壓，圖10b 為并網(wǎng)之后控制并網(wǎng)電流，系統(tǒng)沖擊在允許范圍內(nèi)，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

根據(jù)本節(jié)分析可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果均與理論分析一致，變流器在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)均能正常工作且達(dá)到了控制要求，證明本文設(shè)計(jì)的整流饋電雙向充饋電裝置的正確性和可行性。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種面向智能電網(wǎng)的電動汽車整流饋電雙向充放電裝置，可在用電高峰時向電網(wǎng)饋電，用電低谷進(jìn)行汽車充電，對電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行“削峰填谷”（V2G 系統(tǒng)）。 另外，高功率因數(shù)也使本裝置成為電網(wǎng)的綠色用戶。

該系統(tǒng)具有綠色、節(jié)能、并網(wǎng)的功能特性，還可以拓展應(yīng)用于光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等分布式系統(tǒng)，用途更加廣泛。

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