基于前饋平衡控制的雙向充放電系統(tǒng)的研究

（許繼電源有限公司，河南 許昌 461000）

為了快速推進(jìn)新能源電動(dòng)汽車的推廣應(yīng)用，大規(guī)模的充電設(shè)施不斷接入電網(wǎng)。為了解決電動(dòng)汽車的快速電能補(bǔ)給問題，充電設(shè)施的額定容量不斷增大，對(duì)電網(wǎng)硬件基礎(chǔ)設(shè)施提出了更高的要求。由于大功率充電設(shè)施工作特性的隨機(jī)性、波動(dòng)性，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行及負(fù)荷管控提出了新的挑戰(zhàn)。通過對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的深入研究，提出了一種基于功率前饋平衡控制策略的雙向充放電系統(tǒng)方案，有效解決了大功率充電設(shè)施對(duì)于電網(wǎng)配電側(cè)造成的瞬時(shí)沖擊，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行過程中的負(fù)荷峰谷調(diào)節(jié)功能，對(duì)建設(shè)清潔、友好、智能電網(wǎng)具備重要意義。

1 雙向充放電系統(tǒng)

如圖1所示，該系統(tǒng)主要由雙向AC∕DC裝置、雙向DC∕DC裝置、儲(chǔ)能電池、充電樁等組成。充電時(shí)，雙向AC∕DC裝置為直流母線提供直流電源輸入，經(jīng)雙向DC∕DC裝置功率變換后為充電樁提供功率輸出，谷電時(shí)段可通過雙向DC∕DC變換器對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行充電，若配電容量無法響應(yīng)充電樁的大功率充電服務(wù)時(shí)可利用儲(chǔ)能電池對(duì)直流母線向外提供能量，響應(yīng)充電樁的大功率充電功能；放電階段電動(dòng)汽車或儲(chǔ)能電池均可通過雙向DC∕DC裝置輸出至直流母線，然后通過雙向AC∕DC變流器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)[1-5]。

圖1 雙向充放電系統(tǒng)框圖Fig.1 The block diagram of bidirectional charging and discharging system

雙向AC∕DC裝置采用三電平拓?fù)?，如圖2所示[6-7]。

圖2 AC∕DC變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.2 The topology diagram of AC∕DC rectifier

雙向DC∕DC裝置主拓?fù)淙鐖D3所示，DC∕DC變流器利用雙向Buck-Boost電路拓?fù)洌軐?shí)現(xiàn)雙向能量傳遞，假設(shè)圖3中箭頭方向?yàn)檎?dāng)i1為正時(shí)，圖2電路工作于Buck狀態(tài)，系統(tǒng)對(duì)電池充電，當(dāng)i1為負(fù)時(shí)，系統(tǒng)工作于Boost狀態(tài)，電池給系統(tǒng)提供能量。

圖3 DC∕DC變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.3 The topology diagram of DC∕DC converter

由于電動(dòng)汽車充電時(shí)間及輸出功率的隨機(jī)特性導(dǎo)致系統(tǒng)的負(fù)載波動(dòng)無規(guī)律，AC∕DC變流器和DC∕DC變流器組成的能量雙向流動(dòng)系統(tǒng)的控制變得復(fù)雜。直流母線作為AC∕DC變流器和DC∕DC變流器能量變換裝置的紐帶，過大的負(fù)載波動(dòng)嚴(yán)重影響直流母線電壓的穩(wěn)定性。通過對(duì)雙向充放電系統(tǒng)的深入研究，本文提出一種基于功率前饋的實(shí)時(shí)功率平衡算法，實(shí)現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定，保障雙向充放電系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行[8-14]。

2 控制方法研究

2.1 系統(tǒng)的能量流動(dòng)特性分析

系統(tǒng)能量流動(dòng)示意圖如圖4所示，直流母線單位時(shí)間t內(nèi)能量變化ΔQ為

式中：P1為電網(wǎng)通過AC∕DC變流器與直流母線的之間能量交換的功率；P2為儲(chǔ)能電池和直流母線之間能量交換的功率；P3為充電機(jī)為汽車充電的功率。

若滿足下式：

即直流母線流進(jìn)流出電能功率實(shí)時(shí)為零，即可實(shí)現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定。

圖4 系統(tǒng)能量流動(dòng)圖Fig.4 The diagram of system energy flow

2.2 系統(tǒng)控制算法

假定AC∕DC變流器輸入三相交流電壓、電流為

式中：UA，UB，UC分別為A，B，C相電壓；IA，IB，IC依次為A，B，C相電流；UrmsA，UrmsB，UrmsC分別為A，B，C相電壓有效值；IrmsA，IrmsB，IrmsC分別為A，B，C相電流有效值。

通過d-q坐標(biāo)系變化得到：

式中：Ud，Uq，U0分別為三相電壓在dq0坐標(biāo)系下d軸，q軸和0軸的坐標(biāo)值；Id，Iq，I0依次為三相電流在dq0坐標(biāo)系下d軸、q軸和0軸的坐標(biāo)值。

假定? =0°，Uq=0，變流器側(cè)濾波電感L1的電流i1為[15-16]

式中：uiA，uiB，uiC分別為變流器A，B，C相的輸出電壓；i1A，i1B，i1C分別為變流器A，B，C相的輸出電流；R1為電感L1的等效電阻；uCA，uCB，uCC分別為變流器A，B，C相的濾波電容電壓。

簡(jiǎn)化得：

同理，網(wǎng)側(cè)濾波電感L2的電流i2為

式中：i2A，i2B，i2C分別為變流器A，B，C相網(wǎng)側(cè)電流；uGA，uGB，uGC分別為變流器網(wǎng)側(cè)A，B，C相的電壓；R2為電感L2的等效電阻。

濾波電容C的電壓uC為

因此，AC∕DC變流器交流側(cè)的狀態(tài)方程為

根據(jù)dq變換得到：

進(jìn)一步可得AC∕DC變流器在并網(wǎng)模式下交流側(cè)的狀態(tài)方程：

通過對(duì)AC∕DC變流器的數(shù)學(xué)模型分析，根據(jù)d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程，得到系統(tǒng)控制回路框圖[17-19]，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)控制框圖Fig.5 The block diagram of system control

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過上述理論分析，搭建仿真模型，如圖6、圖7所示。AC∕DC裝置額定功率500 kW，開關(guān)頻率3 kHz，濾波電感Lc=180μH，濾波電容200μF，濾波電感Ls=50 μH，直流母線電容15mF；DC∕DC裝置額定功率50 kW，開關(guān)頻率2 kHz，濾波電感L=1.80 mH，濾波電容 C=200 μF。其中 5臺(tái) DC∕DC裝置并聯(lián)組成250 kW單元作為電動(dòng)汽車充放電功率變換單元，5臺(tái)DC∕DC裝置并聯(lián)組成250 kW單元作為儲(chǔ)能動(dòng)力電池的功率變換單元[20-21]。

圖6 系統(tǒng)仿真模型Fig.6 The system simulation model

圖7 前饋控制回路仿真模型Fig.7 The simulation model of feedforward control loop

通過仿真，得到AC∕DC變流器三相交流電壓、電流波形如圖8、圖9所示。

圖8 三相交流電壓波形Fig.8 The waveforms of three-phase AC voltage

圖9 三相交流電流波形Fig.9 The waveforms of three-phase AC current

直流母線電壓如圖10所示。

圖10 直流母線電壓波形Fig.10 The waveform of DC bus voltage

在上述理論分析及仿真試驗(yàn)基礎(chǔ)上，研制了一臺(tái)雙向充放電系統(tǒng)樣機(jī)，如圖11所示。AC∕DC裝置額定功率為500 kW；雙向DC∕DC模塊額定功率為50 kW，共計(jì)10臺(tái)，其中5臺(tái)DC∕DC裝置采用并聯(lián)連接拓?fù)錇殡妱?dòng)汽車提供雙向充放電服務(wù)，另外5臺(tái)并聯(lián)連接對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行雙向充放電；動(dòng)力電池采用50 kW梯次利用磷酸鐵鋰電池；測(cè)試車輛為比亞迪E5。

圖11 樣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)Fig.11 The prototype test platform

測(cè)試過程中采用儲(chǔ)能電池及電網(wǎng)混合供電方案作為電動(dòng)汽車能量輸入源，直流母線電壓波形如圖12所示，充電機(jī)輸出功率跟隨電動(dòng)汽車需求實(shí)時(shí)調(diào)整，直流母線電壓保持穩(wěn)定。

圖12 直流母線電壓波形Fig.12 The waveform of DC bus voltage

電動(dòng)汽車放電過時(shí)并網(wǎng)電流波形如圖13所示。

圖13 并網(wǎng)電流波形Fig.13 The waveforms of grid-connected current

圖14 并網(wǎng)電壓波形Fig.14 The waveforms of grid-connected voltage

4 結(jié)論

為了推動(dòng)電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，大功率充電設(shè)施大規(guī)模不斷接入電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大的沖擊。通過對(duì)電動(dòng)汽車大功率充電系統(tǒng)工作特點(diǎn)的研究，提出了一種基于功率前饋平衡控制策略的雙向充放電系統(tǒng)方案，仿真結(jié)果及樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了該方案的有效性及正確性。該方案既解決了大規(guī)模充電設(shè)施接入電網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)配電系統(tǒng)造成的沖擊問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)運(yùn)行過程中的負(fù)荷峰谷調(diào)節(jié)功能，對(duì)提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性具備重要意義。