基于V2G的電動汽車無功功率補(bǔ)償技術(shù)

滿 洲，郭春林，裴 鑫，胡德權(quán)

(新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京 102206)

0 引 言

能源緊缺、環(huán)境污染、溫室效應(yīng)等當(dāng)今社會亟待解決的問題，促進(jìn)了汽車產(chǎn)業(yè)向環(huán)保方向發(fā)展。電動汽車具有良好的節(jié)能、環(huán)保、低噪聲和低排潛力，可以大大緩解資源和環(huán)境壓力，近年來受到了世界各國的普遍重視，得到了普遍發(fā)展[1]。隨著電動汽車的大量發(fā)展，V2G(vehicle to grid)的概念也受到了廣泛的關(guān)注[2]。通過V2G技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電動汽車與電網(wǎng)能量的雙向流動。進(jìn)而通過合理的充放電控制策略和優(yōu)化模型得到削峰填谷、頻率調(diào)節(jié)的效果[3-5]。

但是目前受電池特性的影響，對電池多次的進(jìn)行充放電控制將會引起電池老化，影響電池的壽命[6]。同時(shí)隨著電動汽車的大量普及，非車載充電機(jī)也大量分布在高速、超市、飯店等公共場所?？紤]到無功功率對電網(wǎng)的不利影響，可以在滿足用戶充電需求的情況下,利用電動汽車通過非車載充電機(jī)對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。文獻(xiàn)[7]表明，當(dāng)電動汽車參與電網(wǎng)的無功補(bǔ)償時(shí)，電池的壽命不會受到影響。這樣既滿足了用戶的充電需求又能夠在不損害電池壽命的前提下對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。大大節(jié)省了傳統(tǒng)無功補(bǔ)償設(shè)備的成本，充分發(fā)揮了V2G技術(shù)的優(yōu)勢。

由于V2G技術(shù)尚處于研究階段，而且大量研究集中在電動汽車與電網(wǎng)有功功率的雙向流動，對于電動汽車通過非車載充電機(jī)對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)难芯糠浅Ｉ僖?。文獻(xiàn)[8]證明了插電式混合動力電動汽車(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV)用于無功補(bǔ)償?shù)目尚行?。文獻(xiàn)[9]對電動汽車通過單相整流器對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)進(jìn)行了研究。但是僅實(shí)現(xiàn)了電動汽車在不充電的情況下對家庭用戶進(jìn)行無功補(bǔ)償且補(bǔ)償功率較小，也沒有考慮用戶充電需求。在本文的研究中，電動汽車可以在充電的同時(shí)對電網(wǎng)進(jìn)行合理的無功功率補(bǔ)償，既可以滿足用戶充電需求又可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)無功功率。充分利用了電動汽車資源，且對電池的壽命沒有影響，拓展了V2G技術(shù)，讓V2G技術(shù)的實(shí)施更加具有可行性。同時(shí)非車載充電機(jī)利用三相供電，額定功率較大，可以為電網(wǎng)提供較多的無功功率。

1 無功功率補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

利用非車載充電機(jī)對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，將電動汽車和產(chǎn)生無功的負(fù)載看作終端。則系統(tǒng)的等效模型如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)等效模型Fig.1 Equivalent model of system

圖中:ua、ub、uc為網(wǎng)側(cè)三相電壓;ila、ilb、ilc為負(fù)載電流;ia、ib、ic為非車載充電機(jī)電流。

1.2 非車載充電機(jī)結(jié)構(gòu)

大功率非車載充電機(jī)是由額定功率為15kVA的充電模塊并聯(lián)而成，模塊的并聯(lián)數(shù)目決定非車載充電機(jī)的最大充電功率。因此本文只研究非車載充電機(jī)內(nèi)部僅含有單個(gè)模塊時(shí)的無功功率補(bǔ)償效果，即非車載充電機(jī)額定功率為15kVA時(shí)的無功功率補(bǔ)償效果。更大功率非車載充電機(jī)的無功功率補(bǔ)償效果與此種情況下的無功功率補(bǔ)償效果相同。

根據(jù)V2G技術(shù)的要求，非車載充電機(jī)內(nèi)部只含單個(gè)模塊時(shí)，電力變換裝置的等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。ia、ib、ic為非車載充電機(jī)交流側(cè)電流，L為交流側(cè)濾波電感，R為非車載充電機(jī)的等效損耗電阻，C為直流母線電容,用戶充電需求模塊代表電動汽車的實(shí)際充電功率。

圖2 非車載充電機(jī)等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Equivalent topology of electric vehicles off-board charger

2 控制方法分析

受非車載充電機(jī)額定功率的限制，當(dāng)電動汽車向電網(wǎng)補(bǔ)償無功時(shí)，電動汽車的充電功率將會相應(yīng)地調(diào)整。本文通過無功功率補(bǔ)償控制，實(shí)現(xiàn)直流母線穩(wěn)壓，并且根據(jù)電網(wǎng)無功需求和用戶充電需求，控制補(bǔ)償所需的無功功率。

2.1 dq變換和瞬時(shí)無功理論

電壓和電流在靜止(a, b, c)坐標(biāo)系內(nèi)為時(shí)變交流量，不利于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為此可以通過坐標(biāo)變換將靜止坐標(biāo)系(a, b, c)轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的(d, q)坐標(biāo)系。由此得電壓電流在dq坐標(biāo)下的分量為ud、uq、id、iq。

根據(jù)瞬時(shí)無功功率理論[10]，得到瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無功功率q。

(1)

若選取d軸與電網(wǎng)電動勢矢量重合，則電網(wǎng)電動勢矢量在q軸的分量為0，即uq=0。此時(shí)瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無功功率q為

(2)

(3)

由式(3)可得，若選取d軸與電網(wǎng)電動勢矢量重合，非車載充電機(jī)需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率可以轉(zhuǎn)換為電流信號iq，如果需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率信號是由非車載充電機(jī)自己測得，則可以只測補(bǔ)償線路各相的電流信號，進(jìn)行dq變換后，轉(zhuǎn)換為iq信號。

2.2 無功功率補(bǔ)償控制分析

根據(jù)dq變換，得到非車載充電機(jī)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，如式(4)所示。

(4)

如圖1所示，式(4)中：ud、uq為網(wǎng)側(cè)三相電壓的dq分量;ω為電網(wǎng)電壓、電流的基波角頻率;vd、vq、id、iq分別為非車載充電機(jī)交流側(cè)電壓和電流的dq分量。

由式(4)可得，非車載充電機(jī)的dq分量相互耦合，給控制環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)帶來了一定困難。為此采用前饋解耦控制策略[11]。若電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，可得vq、vd的控制方程，如式(5)。此時(shí)電流id、iq將會實(shí)現(xiàn)解耦，便于控制環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。

(5)

圖3 非車載充電機(jī)控制框圖Fig.3 Control block diagrams of electric vehicles off-board charger

3 非車載充電機(jī)參數(shù)分析

3.1 交流側(cè)濾波電感分析

忽略非車載充電機(jī)的等效損耗電阻R，只考慮基波正弦分量時(shí)，充電機(jī)交流側(cè)矢量關(guān)系如圖4。其中us為網(wǎng)側(cè)相電壓，uc為充電機(jī)交流側(cè)電壓，uL為交流側(cè)濾波電感電壓，i為網(wǎng)側(cè)相電流即充電機(jī)電流，由此可得式(6)，其中ω為基波角頻率。

uL=ωLi

(6)

圖4 充電機(jī)交流側(cè)矢量關(guān)系Fig.4 Vector relation of voltage and current

設(shè)充電機(jī)的功率因數(shù)角為φ，由圖4可得α+φ=90°。根據(jù)余弦定理可得式(7)。

(7)

由式(6)和式(7)解得

(8)

3.2 非車載充電機(jī)等效損耗電阻分析

電力變換裝置的效率要求大于96%，因此非車載充電機(jī)的等效電阻R應(yīng)滿足式(9)，其中Se為充電機(jī)的額定功率，本文為15kVA，us為網(wǎng)側(cè)相電壓。

(9)

解得R≤0.385Ω。

3.3 直流母線電容分析

本文以非車載充電機(jī)直流母線從穩(wěn)態(tài)電壓最低值上升到母線電壓指令值所需時(shí)間為目標(biāo)進(jìn)行討論。所謂直流母線穩(wěn)態(tài)電壓最低值即非車載充電機(jī)接入電網(wǎng)且功率管斷開，僅依靠二極管導(dǎo)通時(shí)直流母線的電壓。直流母線穩(wěn)態(tài)最低值u。與網(wǎng)側(cè)線電壓uline滿足關(guān)系式：

u。=1.35uline

(10)

圖5 直流母線電容初始時(shí)刻充電等效電路Fig.5 Equivalent charging circuit of DC-bus capacitor at the initial moment of charging

當(dāng)控制器接收到直流母線電壓指令值時(shí)，基于第2節(jié)的PI控制，開始時(shí)應(yīng)是飽和輸出，則以允許的最大電流imax對母線電容和負(fù)載充電，等效電路如圖5所示。uDC為直流母線實(shí)際電壓。圖5變換為恒壓源電路后，可得

(11)

(12)

設(shè)上升時(shí)間參考值為t*，解得直流母線電容的取值范圍為

(13)

工程應(yīng)用中我們按照式(14)取值，其中us為網(wǎng)側(cè)相電壓。

(14)

將式(14)帶入式(13)化簡可得

(15)

4 仿真分析

為驗(yàn)證電動汽車在充電的同時(shí)對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)男Ч?，本文在PSCAD/EMTDC的平臺上建模仿真驗(yàn)證。根據(jù)第3節(jié)中對各參數(shù)的理論分析，選取交流側(cè)濾波電感L=0.0028H，非車載充電機(jī)的等效損耗電阻R=0.2Ω，直流母線電容C=2000μF，直流母線電壓指令值為700V。本文分別仿真了補(bǔ)償功率為變化的感性無功和變化的容性無功時(shí)電動汽車的無功功率補(bǔ)償效果。

仿真中負(fù)載產(chǎn)生的感性無功功率和容性無功功率分為5kvar、10kvar和15kvar 這3種情況，驗(yàn)證了電動汽車在充電的同時(shí)對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)男Ч．?dāng)負(fù)載產(chǎn)生的是變化的感性無功功率時(shí)，此時(shí)的仿真時(shí)序如表1所示。電動汽車實(shí)際充電過程中，為保護(hù)電池和充電設(shè)備，非車載充電機(jī)會先給直流母線充電然后再閉合電池側(cè)開關(guān)即仿真中0～0.2s的過程。

表1 補(bǔ)償變化的感性無功時(shí)的仿真時(shí)序

由圖6可得，利用第2節(jié)的控制方法，電動汽車在充電的同時(shí)可對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，補(bǔ)償之后的系統(tǒng)的功率因數(shù)幾乎為1，且系統(tǒng)電流曲線平滑。當(dāng)電動汽車補(bǔ)償?shù)臒o功功率發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)電流經(jīng)過1～2個(gè)周期后就達(dá)到了穩(wěn)定值，能夠快速跟蹤系統(tǒng)的變化。既滿足了用戶充電需求又對電網(wǎng)進(jìn)行了合理的無功補(bǔ)償。

圖7反應(yīng)了電動汽車充電功率、系統(tǒng)無功功率和負(fù)載無功功率的變化。0.2～1s電動汽車的充電功率為15kW，不對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，系統(tǒng)無功功率與負(fù)載無功功率相等，均為5kvar。1～2s電動汽車參與無功補(bǔ)償，補(bǔ)償無功功率為5kvar。由圖可看出電動汽車此時(shí)的充電功率略有調(diào)整，負(fù)載無功功率仍為5kvar，但電動汽車參與了無功補(bǔ)償，所以此時(shí)系統(tǒng)無功為0。同理，2～3s電動汽車?yán)^續(xù)參與無功補(bǔ)償，補(bǔ)償無功功率為10kvar。由圖可看出電動汽車充電功率有明顯調(diào)整，負(fù)載無功為10kvar，由于電動汽車完全補(bǔ)償了負(fù)載無功，所以此時(shí)系統(tǒng)無功仍為0。3～4s期間，電動汽車充滿電，此時(shí)的充電功率為0，向電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)臒o功功率為15kvar，此時(shí)負(fù)載無功雖然上升到15kvar，但系統(tǒng)的無功功率仍為0。由以上分析可以看出電動汽車在充電的同時(shí)很好地向電網(wǎng)進(jìn)行了無功功率補(bǔ)償。

同理，當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生的是變化的容性無功功率時(shí)，此時(shí)的仿真時(shí)序如表2所示。

圖6 補(bǔ)償變化的感性無功時(shí)，系統(tǒng)電壓電流波形Fig.6 Voltage and current curve of dynamic inductive reactive power compensation

圖7 補(bǔ)償變化的感性無功時(shí)，電動汽車充電功率、系統(tǒng)無功功率和負(fù)載無功功率變化曲線Fig.7 Charging power, the system reactive power and the load reactive power curve of dynamic inductive reactive power compensation

通過圖8可得，補(bǔ)償變化的容性無功功率與補(bǔ)償變化的感性無功功率的效果一致，都達(dá)到了控制要求。

由以上仿真可得，電動汽車在充電的同時(shí)可對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，根據(jù)補(bǔ)償無功功率的大小電動汽車充電功率會作出相應(yīng)的變化。既可以滿足了用戶充電需求又可對電網(wǎng)進(jìn)行合理的無功補(bǔ)償。

5 結(jié) 論

通過以上研究本文可得到以下結(jié)論：

① 電動汽車在充電的同時(shí)可以通過非車載充電機(jī)參與無功功率補(bǔ)償。既可以滿足用戶的充電需求，又可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)無功功率，為電動汽車參與電網(wǎng)無功功率補(bǔ)償提供了理論基礎(chǔ)。同時(shí)充分利用了電動汽車資源，節(jié)省了傳統(tǒng)無功功率補(bǔ)償設(shè)備的成本，拓展了V2G技術(shù)，且運(yùn)行過程不會對電動汽車電池的壽命造成不利影響，讓V2G技術(shù)的實(shí)施更加具有可行性。

表2 補(bǔ)償變化的容性無功時(shí)的仿真時(shí)序

圖8 補(bǔ)償變化的容性無功時(shí)，電動汽車充電功率、系統(tǒng)無功功率和負(fù)載無功功率變化曲線Fig.8 Charging power, the system reactive power and the load reactive power curve of dynamic capacitive reactive power compensation

② 基于瞬時(shí)無功理論和解耦控制，控制電動汽車對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，可以對負(fù)載無功功率實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確補(bǔ)償，同時(shí)能夠根據(jù)系統(tǒng)無功需求快速反應(yīng)，運(yùn)行可靠，達(dá)到了控制要求。

③ 本文只是研究一臺非車載充電機(jī)的無功功率補(bǔ)償情況，對于區(qū)域內(nèi)多臺充電機(jī)的協(xié)調(diào)控制仍需研究，同時(shí)非車載充電機(jī)與傳統(tǒng)無功功率補(bǔ)償設(shè)備的協(xié)調(diào)配合也值得進(jìn)一步研究。