面向主動(dòng)配電網(wǎng)的電動(dòng)汽車(chē)充放電功率控制技術(shù)

韓華春， 丁 昊， 黃 地，呂振華

(1. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院, 江蘇 南京 211103;2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司,江蘇 南京 211106)

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面向主動(dòng)配電網(wǎng)的電動(dòng)汽車(chē)充放電功率控制技術(shù)

韓華春1， 丁 昊2， 黃 地1，呂振華1

(1. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院, 江蘇 南京 211103;2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司,江蘇 南京 211106)

電動(dòng)汽車(chē)V2G系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充放電功能，還能發(fā)揮三相電壓型PWM變流器的四象限運(yùn)行功能，為電網(wǎng)提供雙向可控的有功功率和無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)平抑電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)、削峰填谷等功率調(diào)節(jié)功能。本文針對(duì)V2G系統(tǒng)的并網(wǎng)功率控制，分析了電動(dòng)汽車(chē)V2G系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并提出基于比例反饋積分(PFI)的功率控制方法，實(shí)現(xiàn)V2G系統(tǒng)并網(wǎng)電流指令的精確跟蹤；與常規(guī)的比例積分(PI)控制進(jìn)行了對(duì)比分析，通過(guò)PSIM仿真平臺(tái)驗(yàn)證了該P(yáng)FI控制方法的有效性。

電動(dòng)汽車(chē); V2G; 比例反饋積分; 功率控制

0 引言

主動(dòng)配電網(wǎng)的建設(shè)依托于大規(guī)模間歇式可再生能源并網(wǎng)運(yùn)行控制、電網(wǎng)與充放電設(shè)施互動(dòng)、智能配用電等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展[1-3]。在主動(dòng)配電網(wǎng)中，需要對(duì)電動(dòng)汽車(chē)這種不確定性較大的負(fù)荷進(jìn)行主動(dòng)控制，引導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行有序充放電，使得電網(wǎng)可以較好地消納電動(dòng)汽車(chē)。V2G系統(tǒng)[4-6]是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)能量互動(dòng)的接口，合理高效的充放電控制對(duì)于蓄電池安全健康、電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行有著至關(guān)重要的影響。

V2G系統(tǒng)變流器并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)通?？刂茷殡娏髟?，其控制目標(biāo)是快速響應(yīng)功率指令，調(diào)節(jié)并網(wǎng)功率。HUTSON C[7]研究了電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)之間的功率雙向流動(dòng)問(wèn)題，指出電動(dòng)汽車(chē)充放電帶來(lái)的負(fù)荷變化對(duì)電網(wǎng)發(fā)電和調(diào)度有重要的影響。文獻(xiàn)[8]通過(guò)電力電子設(shè)備將電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)相互連接實(shí)現(xiàn)能量在二者之間的雙向交換，證明了電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)之間進(jìn)行能量雙向流動(dòng)的可能性。文獻(xiàn)[9,10]提出了考慮電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行不確定性的電動(dòng)汽車(chē)分布式儲(chǔ)能充放電控制策略，通過(guò)與分布式儲(chǔ)能控制中心的信息交互，實(shí)現(xiàn)了與電網(wǎng)的能量雙向交換，提高了可再生能源發(fā)電的可調(diào)度性。文獻(xiàn)[11]以平抑負(fù)荷波動(dòng)為目的，提出了一種智能充放電控制策略，并分析了電動(dòng)汽車(chē)V2G技術(shù)減小家庭負(fù)荷波動(dòng)的情況。文獻(xiàn)[12]對(duì)3輛容量均為80 A·h的電動(dòng)汽車(chē)采用V2G技術(shù)平抑某一區(qū)域的電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行了仿真分析，通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的充放電控制進(jìn)一步縮小了電網(wǎng)峰谷差。文獻(xiàn)[13-15]提出了自治分布式V2G頻率下垂控制策略，入網(wǎng)電動(dòng)汽車(chē)就地測(cè)量電網(wǎng)頻率并根據(jù)頻率偏差控制其充放電功率，為系統(tǒng)提供調(diào)頻服務(wù)。

本文研究了電動(dòng)汽車(chē)V2G系統(tǒng)并網(wǎng)功率下的控制策略，提出了基于比例反饋積分(PFI)的電流控制方法，根據(jù)功率和電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系生成指令電流，實(shí)現(xiàn)V2G系統(tǒng)并網(wǎng)電流指令的精確跟蹤。

1 電動(dòng)汽車(chē)V2G系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車(chē)充放電裝置是電動(dòng)汽車(chē)與交流電網(wǎng)之間能量轉(zhuǎn)換的紐帶，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直接影響充放電系統(tǒng)控制策略的制定。電動(dòng)汽車(chē)V2G系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電動(dòng)汽車(chē)V2G系統(tǒng)拓?fù)銯ig.1 Topology structure of V2G system

Ⅰ為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組，可作為負(fù)荷吸收電網(wǎng)電能，也可作為儲(chǔ)能單元向電網(wǎng)反饋電能；Ⅱ?yàn)殡p向DC/DC變換器，主要進(jìn)行電池側(cè)直流電壓的升降變換，使其能夠適應(yīng)更寬范圍的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池端電壓；Ⅲ為直流母線電容，是雙向功率交換的紐帶；Ⅳ為雙向AC/DC環(huán)節(jié)，采用電壓源型脈沖寬度調(diào)制(PWM)變流器，實(shí)現(xiàn)交流與直流的雙向轉(zhuǎn)換；Ⅴ為三相負(fù)載；Ⅵ 為電網(wǎng)電壓。

電動(dòng)汽車(chē)在主動(dòng)配電網(wǎng)中可作為分布式儲(chǔ)能單元，在電網(wǎng)需要的時(shí)候反向饋電，并且基于電壓源型PWM變流器的四象限運(yùn)行，接受電網(wǎng)有功、無(wú)功功率指令，是電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)能量雙向互動(dòng)的關(guān)鍵。電動(dòng)汽車(chē)V2G拓?fù)渲?，VSC與Buck/Boost變換器僅能量流動(dòng)方向一致，控制相互獨(dú)立。

2 基于PFI的電流跟蹤控制

2.1 電流內(nèi)環(huán)PFI控制器

V2G系統(tǒng)變流器電流內(nèi)環(huán)的控制目標(biāo)是使輸出電流高精度跟蹤給定電流，減少瞬態(tài)跟蹤時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速與精確跟蹤[16]。

電動(dòng)汽車(chē)V2G系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，受電網(wǎng)自身容量、結(jié)構(gòu)和負(fù)載特性的影響，普遍存在電網(wǎng)電壓畸變等非理想現(xiàn)象，特別是在局部微電網(wǎng)和距離電力主干網(wǎng)較遠(yuǎn)的終端[17]。當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)畸變等現(xiàn)象時(shí)，傳統(tǒng)的比例積分(PI)控制策略的控制性能就會(huì)變差。基于此，采用基于PFI控制器的電流跟蹤控制，如圖2所示。

圖2 d軸電流環(huán)PFI控制器Fig.2 d-axis current loop PFI controller

圖2中：Ts為采樣周期；KPWM為PWM等效增益，忽略開(kāi)關(guān)器件的損耗及死區(qū)效應(yīng)等，可認(rèn)為KPWM=1；慣性環(huán)節(jié)1/(1.5Ts+1)近似表示信號(hào)采樣延遲和PWM控制的小慣性特性。

d軸輸入電流可表示為：

(1)

式(1)中第一項(xiàng)為d軸電流參考值產(chǎn)生，第二項(xiàng)為d軸的電網(wǎng)電壓擾動(dòng)所產(chǎn)生。無(wú)論比例增益kp取何值，只要系統(tǒng)穩(wěn)定且積分系數(shù)ki≠0，則在s→jω0處有：

(2)

d軸電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)Gr_pfi(s)為：

(3)

對(duì)應(yīng)的電流內(nèi)環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)Gro_pfi(s)為：

(4)

考慮到系統(tǒng)的抗擾性能，忽略電流內(nèi)環(huán)等效時(shí)間常數(shù)Ts的影響，式(4)可寫(xiě)成如下形式：

(5)

由式(5)算得電流內(nèi)環(huán)的阻尼比ξ和自然振蕩頻率ωn為：

(6)

計(jì)算得：

(7)

為了使電流內(nèi)環(huán)獲得較好的動(dòng)、靜態(tài)特性，設(shè)置系統(tǒng)的阻尼比ξ=0.707，ωn=300 rad/s，將ξ,ωn參考值代入式(7)，即可設(shè)計(jì)出電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)kp,ki。

在PFI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)中，根據(jù)上述方法可確定基本參數(shù)，但是實(shí)際應(yīng)用中還需要通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整得到最佳調(diào)節(jié)參數(shù)kp,ki，以避免參數(shù)選擇的盲目性。

2.2 電流內(nèi)環(huán)PFI控制性能分析

基于PFI控制的電流內(nèi)環(huán)控制器與傳統(tǒng)PI控制器(如圖3所示)的區(qū)別在于比例環(huán)節(jié)位置不同，PI控制器在前向通道，PFI控制器在反饋通道上。為驗(yàn)證基于PFI控制的電流內(nèi)環(huán)控制方法的有效性，本節(jié)將PFI控制器與傳統(tǒng)PI控制器進(jìn)行比較分析。

圖3 d軸電流環(huán)PI控制器Fig.3 d-axis current loop PI controller

由圖2推導(dǎo)得到基于PFI控制器的擾動(dòng)傳遞函數(shù)Gd_pfi(s)和誤差傳遞函數(shù)Ge_pfi(s)。

擾動(dòng)ed到輸出id的傳遞函數(shù)Gd_pfi(s)：

（3）渾河、蘇子河的氮輸入對(duì)撫順取水口處各水質(zhì)要素的影響相當(dāng)，減小蘇子河的磷輸入能更有效地降低撫順取水口處的葉綠素a濃度。該研究以期為大伙房水庫(kù)水資源可持續(xù)利用及水質(zhì)管理提供理論指導(dǎo)。

(8)

誤差e到輸出id的傳遞函數(shù)Ge_pfi(s)：

(9)

由圖3可推導(dǎo)出基于PI控制器的閉環(huán)傳遞函數(shù)、擾動(dòng)傳遞函數(shù)以及誤差傳遞函數(shù)。

(10)

擾動(dòng)ed到輸出id的傳遞函數(shù)Gd_pi(s)：

(11)

誤差e到輸出id的傳遞函數(shù)Ge_pi(s)：

(12)

對(duì)以上PFI控制器和PI控制器的閉環(huán)傳遞函數(shù)、擾動(dòng)傳遞函數(shù)、誤差傳遞函數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出：

(1) 閉環(huán)傳遞函數(shù)Gr_pfi(s)和Gr_pi(s)分母相同，即具有相同的極點(diǎn)，不同的是PI控制引入了零點(diǎn)(kps+ki)，當(dāng)有階躍輸入時(shí)，比例和積分將同時(shí)起作用，會(huì)引起較大超調(diào)；而采用PFI控制時(shí)，積分先起作用比例后起作用，超調(diào)將會(huì)減小甚至消失。

圖4 PFI控制器和PI控制器傳遞函數(shù)頻域特性Fig.4 Frequency domain characteristics of transfer function for PFI controller and PI controller

3 仿真分析

在仿真軟件PSIM9.0中搭建了V2G系統(tǒng)變流器的仿真模型，仿真參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。標(biāo)定V2G系統(tǒng)交流側(cè)輸出電流入網(wǎng)側(cè)方向?yàn)檎?/p>

在電網(wǎng)電壓存在一定畸變(含10%的5次諧波，即電網(wǎng)電壓THD為10%)的情況下， 采用所提出的PFI控制方法進(jìn)行仿真，并與傳統(tǒng)的PI控制器對(duì)比。

表1 V2G系統(tǒng)變流器主要參數(shù)Table 1 Main parameters of converter in V2G system

圖5、圖6為電網(wǎng)電壓畸變情況下，V2G系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)輸出波形。仿真時(shí)間t=0.1 s時(shí)給定功率指令為Pref=-8 kW，Qref=6 kvar。

圖5 電壓畸變時(shí)并網(wǎng)功率跟蹤波形(PI控制器)Fig.5 Grid connected power waveform under voltage distortion (PI controller)

圖6 電壓畸變時(shí)并網(wǎng)功率跟蹤波形(PFI控制器)Fig.6 Grid connected power waveform under voltage distortion (PFI controller)

結(jié)合表2給出的三相輸出電流THD值，可以看出，電網(wǎng)電壓畸變時(shí)，基于PI控制的電流諧波含量較大，其THD為4.84%、4.58%、4.62%，而且并網(wǎng)功率值有明顯的波動(dòng)；而PFI控制時(shí)并網(wǎng)電流質(zhì)量較好，功率波動(dòng)小，說(shuō)明采用PFI控制時(shí)可有效抑制電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)并網(wǎng)電流的影響。

表2 電網(wǎng)電壓畸變時(shí)并網(wǎng)電流THDTable 2 Grid current THD in grid voltage distortion %

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用本文提出的PFI控制器對(duì)V2G系統(tǒng)進(jìn)行并網(wǎng)功率控制實(shí)驗(yàn)，并在微電網(wǎng)公共點(diǎn)電壓畸變情況下與傳統(tǒng)PI控制器進(jìn)行對(duì)比分析。

圖7、圖8為微電網(wǎng)公共點(diǎn)電壓畸變(THD=3.61%)情況下，V2G系統(tǒng)響應(yīng)并網(wǎng)功率指令的穩(wěn)態(tài)輸出波形，實(shí)驗(yàn)中，給定功率指令為Pref=-2.7 kW，Qref=2.7 kvar。

圖7 V2G系統(tǒng)功率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)波形(PI控制器)Fig.7 Power dispatching experimental waveform of V2G system based on PI controller

圖8 V2G系統(tǒng)功率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)波形(PFI控制器)Fig.8 Power dispatching experimental waveform of V2G system based on PFI controller

對(duì)比圖7和圖8可以看出，電網(wǎng)電壓畸變時(shí)，V2G系統(tǒng)在兩種控制器作用下的輸出電流都存在畸變，但是畸變程度不同，其PI控制器下輸出電流ia的THD為3.35%，而采用PFI控制器的THD為2.25%。由圖7(b)、圖8(b)可以看出，相對(duì)于PI控制器，采用PFI控制器的輸出電流3次諧波含量明顯減小。采用PFI控制器的并網(wǎng)電流波形質(zhì)量相對(duì)PI控制器較好一些，能夠有效抑制并網(wǎng)電壓畸變等波動(dòng)造成的影響。

由于實(shí)驗(yàn)條件限制，若是網(wǎng)側(cè)電壓達(dá)到仿真中畸變效果，PFI控制器比PI控制器抑制網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)等優(yōu)勢(shì)效果會(huì)更明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了面向主動(dòng)配電網(wǎng)的電動(dòng)汽車(chē)V2G系統(tǒng)并網(wǎng)功率模式下的控制策略，基于給定的功率指令，根據(jù)功率和電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系生成指令電流，并提出基于PFI的電流控制算法，實(shí)現(xiàn)V2G系統(tǒng)并網(wǎng)功率的精確跟蹤；在PSIM仿真平臺(tái)上搭建了V2G系統(tǒng)變流器模型并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，通過(guò)與常規(guī)的PI控制進(jìn)行了對(duì)比分析，本文所提出的PFI控制器能夠快速跟蹤電流指令，并且在網(wǎng)側(cè)電壓畸變時(shí)，輸出電流也能不受影響，輸出較好的正弦電流波形。

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(編輯 劉曉燕)

Electric Vehicle Power Control Strategy for Active Distribution Network

HAN Huachun1, DING Hao2, HUANG Di1,LYU Zhenhua1

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company Research Institute, Nanjing 211103, China;2. State Grid Jiangsu Electric Power Company Maintenance Branch, Nanjing 211106, China)

V2G system can provide two-way controllable active power and reactive power into the power grid, realize the load fluctuation and stabilize the power grid peak power regulation function. This paper focuses on the power control of the V2G system in the grid-connected mode. The main circuit structure of the V2G system is introduced. To tracking current instructions precisely, the proportion feedback integral control method is proposed. The effectiveness of the proposed control strategy is verified by simulation and experiment results.

electric vehicle; V2G; proportional feedback integral; power control

2017-02-08；

2017-04-01

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFB0101800);國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司科技項(xiàng)目(5210EF15001H)

TM73

A

2096-3203(2017)04-0008-06

韓華春

韓華春(1988—)，女，山東濟(jì)寧人，博士，工程師，從事電動(dòng)汽車(chē)V2G技術(shù)、新能源并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究工作(E-mail：598543427@qq.com)；

丁 昊(1987—)，男，江蘇鹽城人，工程師，從事電力系統(tǒng)與保護(hù)、電網(wǎng)項(xiàng)目管理等工作(E-mail：dingh1@js.sgcc.com.cn)；

黃 地(1989—)，男，江蘇啟東人，博士，從事熱力系統(tǒng)仿真、新能源并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)工作(E-mail：andy_r1@msn.com)；

呂振華(1988—)，男，山東濰坊人，工程師，從事新能源發(fā)電并網(wǎng)、電能質(zhì)量分析工作(E-mail：517480859@qq.com)。