電動汽車充放電控制器的設計與仿真研究

楊光輝，葉圣雙，錢祥忠

(溫州大學物理與電子信息工程學院，浙江溫州 325035)

電動汽車充放電控制器的設計與仿真研究

楊光輝，葉圣雙，錢祥忠?

(溫州大學物理與電子信息工程學院，浙江溫州 325035)

針對目前常用的充放電機功率因數(shù)低和諧波污染大的問題，分析并研究了基于三相AC/DC整流器和雙DC/DC變流器的充放電系統(tǒng).三相AC/DC整流器利用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，實現(xiàn)了其與電網(wǎng)之間的解耦控制；DC/DC變換器在充電模式下采用恒流恒壓控制，在放電模式下采用電流負反饋控制，相應地實現(xiàn)了電動汽車充電時的多模式控制和放電時的功率因素調(diào)節(jié).最后構(gòu)建了仿真模型，在 MATLAB/SIMULINK下進行了系統(tǒng)仿真，結(jié)果表明，利用所提出的方法充放電能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動，可以達到相應的充放電指標要求，并能有效地消除諧波污染.

電動汽車；V2G；充放電；MATLAB/SIMULINK

全球能源危機和環(huán)境污染對電力系統(tǒng)發(fā)展提出了更高的要求，在此背景下，智能電網(wǎng)技術(shù)成為了各國電力行業(yè)關(guān)注的焦點之一[1-3].與此同時，電動汽車作為一種綠色交通工具，其發(fā)展已成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢[4].

針對如何推動電動汽車發(fā)展的同時又能解決不斷增長的電動汽車的用電需求，以及如何利用電動汽車作為移動的分布式儲能單元來解決日常的電力峰谷差的問題，人們提出了電網(wǎng)和電動汽車之間能量互動的V2G技術(shù)[5].電動汽車作為能夠移動的儲能單元已成為智能電網(wǎng)的重要組成部分，而充放電機則是實現(xiàn)電網(wǎng)與電動汽車之間能量交互的關(guān)鍵接口[6-15].

為實現(xiàn)電網(wǎng)到電動汽車之間的能量轉(zhuǎn)換，并使其具有較高的功率因數(shù)和較低的諧波污染，本文對充放電系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)和控制方法進行了研究，提出了在充電時采用多模式控制和放電時采用電流負反饋控制的新的控制策略，仿真結(jié)果表明，利用所提出的方法可達到充放電的指標要求，滿足電網(wǎng)與電動汽車之間的能量互動.

1 電動汽車充放電系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)

電動汽車接入電網(wǎng)后，要實現(xiàn)充電和放電的功能.主電路結(jié)構(gòu)由交流側(cè)濾波電路、三相AC/DC整流器、雙向DC/DC變換器、直流側(cè)濾波電路和控制電路等主要部分構(gòu)成，如圖1所示.

該系統(tǒng)在功能上主要分為三相AC/DC整流器的整流和逆變以及DC/DC變換器的升降壓斬波兩大部分.當系統(tǒng)工作于充電模式時，三相AC/DC整流器從電網(wǎng)接收能量進行整流后給后級變換器提供穩(wěn)定的直流母線電壓，雙向DC/DC變換器則工作在降壓狀態(tài)下給電動汽車電池充電.當系統(tǒng)工作于放電模式時，雙向DC/DC變換器從電動汽車電池接收能量并工作在升壓狀態(tài)下給前級整流器提供直流母線電壓，此時的三相AC/DC整流器則工作于逆變狀態(tài)向電網(wǎng)返回能量.網(wǎng)側(cè)和電池側(cè)加入的濾波環(huán)節(jié)可提高功率因數(shù)，抑制諧波污染，中間電容Cd用于穩(wěn)壓和濾波.

圖1 主電路結(jié)構(gòu)Fig 1 Main Circuit Structure

1.1 三相AC/DC整流器控制

三相 AC/DC整流器前級與電網(wǎng)相連，后級通過電容 Cd與雙向 DC/DC變換器相連，三相AC/DC整流器用于完成與電網(wǎng)的能量互動.

對三相AC/DC整流器的控制要實現(xiàn)穩(wěn)定直流側(cè)電壓不變和功率因數(shù)校正，采用三相AC/DC整流器構(gòu)建基于dq坐標的電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制，解耦后的調(diào)節(jié)器方程如下式所示：

其中，Vd和Vq為電壓給定值，Kdp和Kdi為d軸PI調(diào)節(jié)器的系數(shù)，Kqp和Kqi為q軸PI調(diào)節(jié)器的系數(shù)，idref和iqref分別為d軸和q軸電流參考值.電壓外環(huán)控制可以穩(wěn)定直流母線電壓，按照電壓外環(huán)輸出的電流指令信號對電流進行電流內(nèi)環(huán)控制，再利用SVPWM波形，產(chǎn)生觸發(fā)開關(guān)管的導通脈沖，其控制框圖如圖2所示.電網(wǎng)中的電流ia、ib、ic經(jīng) dq變換為id和iq；電壓測量值Vdc與參考值Vdref比較產(chǎn)生差值通過PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流給定值idref，為實現(xiàn)功率因數(shù)為1，需將iqref的參考值設為0，將變換后的id和iq分別與給定值進行比較再通過PI調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器前饋解耦環(huán)節(jié)，利用（1）式得出所需電壓指令，利用SVPWM產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，控制開關(guān)管的導通與關(guān)斷，實現(xiàn)充放電的要求.圖2中id和iq為變換后的d軸和q軸電流，idref和iqref分別為d軸和q軸電流給定，Vdc和Vref分別為電壓測量值和電壓給定值，ud和uq為d軸和q軸電壓分量，ucd和ucq為輸出電壓指令.

1.2 雙向DC/DC變換器控制

雙向DC/DC變換器前級通過電容Cd與三相AC/DC整流器相連，后級通過濾波電感和電容L1、C1與電動汽車上的電池相連.

圖2 三相AC/DC整流器控制策略Fig 2 Control Strategy of Three Phase AC/DC Rectifier

雙向DC/DC變換器在充放電時分別工作于Buck和Boost兩種運行模式.在給電動汽車充電時，S8保持關(guān)斷，控制S7工作在開關(guān)狀態(tài)，此運行模式為Buck降壓模式，當電動汽車向電網(wǎng)放電時，S7保持關(guān)斷，控制S8工作在開關(guān)狀態(tài)，此運行模式為Boost升壓模式[8]；前者負責將電壓較高的直流母線電壓變?yōu)殡妱悠嚦潆娝璧闹绷麟妷海笳哓撠煂⑤^低的電池電壓變?yōu)檩^高的直流母線電壓，并為前級三相AC/DC整流器提供能量.

圖3為雙向DC/DC變換器控制框圖，圖中u和i為測量的電壓和電流，uref為電壓給定值，iPI和iC分別為充電和放電時的電流給定值.充電時采取先恒流后恒壓方式，開始充電時，由于電池兩端電壓 U相對較低，還不能達到所設定的電壓值 uref，此時外環(huán)電壓通過限幅會輸出飽和，所輸出的值即為電流內(nèi)環(huán)的給定值 iref，將此值與測量的電流值i進行比較后，再通過PI調(diào)節(jié)器的作用輸出PWM波對電動汽車進行恒流充電；隨著充電時間的推移，電動汽車電池兩端電壓 U會不斷升高，當電動汽車電池的電壓值到達所給定的電壓uref后，略有超調(diào)，就會退出飽和。最后電壓外環(huán)的輸出值用來作為電流內(nèi)環(huán)的給定值，實現(xiàn)從恒流充電到恒壓充電的模式轉(zhuǎn)換，符合電動汽車的先恒流再恒壓的充電模式.

圖3 雙向DC/DC變換器控制策略Fig 3 Control Strategy of Bidirectional DC/DC Convertor

放電時則采取電流負反饋的策略進行控制，根據(jù)系統(tǒng)情況設定放電參考電流iref，通過將放電時電流的測量值與參考值進行比較，再經(jīng)過 PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)產(chǎn)生控制信號控制開關(guān)管的導通與關(guān)斷來控制放電電流的穩(wěn)定，實現(xiàn)恒流放電.

2 主電路參數(shù)分析

網(wǎng)側(cè)電感的大小值決定著諧波污染和穩(wěn)態(tài)輸入電流，其取值應滿足[9-10]：

中間直流母線電容 Cd的大小決定直流紋波的大小，同時能夠穩(wěn)定直流母線電壓，并起到緩沖電網(wǎng)與電動汽車之間的能量的作用，工程上常以滿足電壓的紋波指標和瞬態(tài)響應指標為標準，所以需滿足[11-13]：

直流側(cè)電感工作在充放電兩種模式下，需滿足不同的儲能要求，常以臨界連續(xù)條件和紋波指標來確定，應滿足[14-15]：

3 仿真分析

為驗證本文所提出的方法的可行性，在MATLAB/SIMULINK下搭建仿真模型進行分析，具體仿真參數(shù)為：網(wǎng)側(cè)電感7 mH，中間母線電容2000 μF，直流側(cè)電感20 mH，直流側(cè)電容3200 μF，網(wǎng)側(cè)電阻0.1 Ω，開關(guān)頻率20 kHz；電動汽車電池模型采用系統(tǒng)自帶模型，標稱電壓330 V，額定容量60 Ah直流母線電壓600 V.仿真模型如圖4所示.

圖4 仿真模型圖Fig 4 Simulation Model Drawing

3.1 充電模式仿真

設電池模型初始荷電狀態(tài)為40%，開始階段采用恒流充電模式，當一段時間后SOC達到某一設定值時轉(zhuǎn)為恒壓充電.仿真結(jié)果分別如圖5、圖6、圖7、圖8所示.圖5為充電狀態(tài)下a相電網(wǎng)電壓電流波形，由圖可看出電網(wǎng)電流為正弦波且和電壓同相位；圖6為充電時的直流母線電壓，經(jīng)過短暫的0.15s調(diào)節(jié)整定后達到穩(wěn)定，電壓達到所要求的600 V，為后級DC/DC變換器提供穩(wěn)定的直流電壓；圖7為恒流充電時充電電流，大致維持在45A恒定不變，隨著充電的進行，當SOC達到設定值時，由恒流充電變?yōu)楹銐撼潆姡粓D8為恒壓充電時充電電壓，因為有一個恒流到恒壓充電的切換，所以在0–0.13s內(nèi)電壓有一個短暫上升的過程，轉(zhuǎn)換為恒壓充電后電壓保持不變，以370 V大小為電池充電.

圖5 充電時電網(wǎng)電壓和電流波形Fig 5 Network Voltage and Current Waveforms in Charge Mode

圖6 充電時直流母線電壓Fig 6 DC Bus Voltage at Charge

圖7 電池恒流充電時充電電流Fig 7 Battery Constant Charge Current in Charge Mode

圖8 電池恒壓充電時充電電壓Fig 8 Battery Charging Voltage at Constant Voltage

3.2 放電模式仿真

設電池的初始SOC為90%，進行放電模式仿真.仿真結(jié)果分別如圖9、圖10、圖11、圖12所示.由圖9和圖10可看出并網(wǎng)電流輸出經(jīng)過短暫的振蕩過程后達到穩(wěn)定呈正弦方式變化，諧波THD = 1.66%，達到并網(wǎng)要求，電流波形中的高次諧波是由于開始時較大的電流波動引起的.圖11表示放電時直流母線電壓隨時間的變化，顯示經(jīng)過短暫的電壓上升時間，逐漸達到600V，滿足了要求.圖12為放電模式下電池放電時的電流波形圖，顯示放電電流經(jīng)過短暫的振蕩后逐漸上升，在0.3 s后達到穩(wěn)定，以恒定的電流值放電.

圖9 放電模式下并網(wǎng)電流波形Fig 9 Grid Connected Current Waveform in Discharge Mode

圖10 并網(wǎng)電流諧波分析Fig 10 Harmonic Analysis of Grid Connected Current

圖11 放電時直流母線電壓Fig 11 DC Bus Voltage at Discharge

圖12 放電模式下電池放電時電流Fig 12 Battery Discharge Current in Discharge

4 結(jié) 論

本文提出的電動汽車充放電實現(xiàn)方法，以相應的主電路結(jié)構(gòu)并結(jié)合相應的控制策略成功實現(xiàn)了電動汽車的充放電功能.通過MATLAB/SIMULINK搭建了系統(tǒng)仿真模型，對充電和放電兩種模式分別進行了仿真分析，仿真結(jié)果表明了本文所提出的方法是可行的，能夠完成對電動汽車的恒壓恒流充電以及并網(wǎng)時的恒流放電，具有高功率因素和比較低的諧波污染，可以有效實現(xiàn)電動汽車和電網(wǎng)之間的能量互動.

[1] 張軍六，鄭瑞，韓肖清，等.基于微電網(wǎng)的電動汽車充換電系統(tǒng)研究[J].電力學報，2013，28（1）：3-5.

[2] 黃智宇，芮子喬.基于PWM整流器的高效電動汽車充電機設計[J].數(shù)字通信，2014，41（2）：74-75.

[3] 李瑾，杜成剛，張華，等.智能電網(wǎng)與電動汽車雙向互動技術(shù)綜述[J].供用電，2010，27（3）：12-14.

[4] 劉月賢，王天鈺，楊亞宇，等.電動汽車充放電系統(tǒng)建模與仿真[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2014，42（13）：70-74.

[5] 丁石川，陳權(quán)，薛鐘兵， 等.智能電動汽車充放電技術(shù)分析與仿真研究[J].電氣應用，2013，32（9）：24-25.

[6] 潘瑩，杜成剛.電動汽車接入電網(wǎng)技術(shù)的雙向變流系統(tǒng)研究[J].供用電，2012，29（2）：6-9.

[7] 宋維庭，耿新民.基于PWM的電動汽車V2G雙向充放電裝置研究[J].電工技術(shù)，2011，9（11）：9-10.

[8] 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008：43-179.

[9] 陳偉.三相電壓型PWM整流器的直接功率控制技術(shù)研究與實現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學電氣與電子工程學院，2009：16-49.

[10] 李武峰，羅小英，邊孝成，等.電動汽車蓄電池充放電裝置研究[J].電力電子技術(shù)，2013，47（8）：89-91.

[11] 裴曉澤，姜久春，馮韜，等.電動汽車蓄電池充放電系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].電力電子技術(shù)，2008，42（3）：17-19.

[12] 鮑諺，姜久春，張宏韜，等.電動汽車與電網(wǎng)能量交互的雙向變流器拓撲研究[J].中國電機工程學報，2012，32（31）：51-56.

[13] 王傳曉，趙艷雷，閆靜靜，等.V2G充放電機的設計及其仿真[J].電測與儀表，2014，51（17）：99-101.

[14] 姚道如.電動汽車用雙向DC/DC變換器研究[J].德州學院學報，2010，26（2）：88-89.

[15] 張宏坡.基于V2G應用的車載充放電機的研究與設計[D].廣州：華南理工大學電力學院，2012：19-39.

（編輯：王一芳）

On Design and Simulation for Charging and Discharging Controller of Electric Vehicle

YANG Guanghui, YE Shengshuang, QIAN Xiangzhong
(College of Physics and Electronic Information Engineering, Wenzhou University,Wenzhou, China 325035)

This paper probes into the issue of lower power factor and larger harmonic pollution to the commonly-used recharge-discharge machines. The charging and discharging system based on three-phase AC/DC rectifier and dual DC/DC converter is analyzed and studied as well. The three-phase AC/DC rectifier utilized by the double-loop control of the voltage outer loop and the current inner loop to realize the decoupling control connected with the power grid. DC/DC converter makes use of constant current and constant voltage control in the charging mode and current negative feedback control in the discharge mode,which accordingly realizes the multi-mode control when the electric vehicle is in charge and the power-factor adjustment when the electric vehicle is in discharge. The simulation model is constructed finally and the system simulation is implemented under the MATLAB/SIMULINK. The results show that the utilization of the proposed charge-discharge method can achieve the bi-direction flow of energy, and meanwhile achieve the corresponding charge and discharge criteria requirement and effectively eliminate the harmonic pollution.

Electric Vehicle; V2G; Charge-discharge; MATLAB/SIMULINK

TM727

A

1674-3563(2017)04-0046-07

10.3875/j.issn.1674-3563.2017.04.007 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

2016-10-24

溫州大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項(DC2016048)

楊光輝(1996- )，男，河南周口人，研究方向：電力電子技術(shù).? 通訊作者，xzhqian@263.net