雙向功率型直流充電樁互測(cè)方法及策略研究

李秉宇，常征，武光華，杜旭浩，馮勝濤，張進(jìn)濱

（1.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050000；2.國網(wǎng)河北省電力有限公司，河北 石家莊 050000；3.國網(wǎng)河北省電力有限公司邯鄲供電分公司，河北 邯鄲 056000；4.北京群菱能源科技有限公司，北京 100176）

在能源安全和環(huán)境污染問題的雙重壓力下，電動(dòng)汽車得到了大力的發(fā)展[1]，市場(chǎng)對(duì)充電樁的需求量急劇增長(zhǎng)。充電樁作為電動(dòng)汽車運(yùn)行的必要基礎(chǔ)設(shè)施，充電過程中的可靠性與安全性至關(guān)重要，不符合規(guī)定的充電操作會(huì)對(duì)電池的使用壽命產(chǎn)生惡劣影響，乃至發(fā)生安全事故[2-3]。因此，應(yīng)當(dāng)對(duì)運(yùn)行中的充電樁，對(duì)其可靠性進(jìn)行定期現(xiàn)場(chǎng)巡檢[4]。

考慮到充電樁龐大的數(shù)量級(jí)和分布程度，若采用傳統(tǒng)的測(cè)試儀器，則需要在充電樁所在地完成設(shè)備的安裝、調(diào)試等工作[5]，這無疑會(huì)給設(shè)備運(yùn)營方帶來額外損失；同時(shí)，為測(cè)試充電設(shè)施需配置相應(yīng)的模擬負(fù)載，如電阻矩陣負(fù)載、真實(shí)電池負(fù)載等。采用電阻作為負(fù)載的測(cè)試方式無法體現(xiàn)電池的反電勢(shì)特征，不能模擬電池的真實(shí)充電過程；而采用真實(shí)電池測(cè)試方法，電池電壓不能連續(xù)調(diào)節(jié)，從而無法實(shí)現(xiàn)目前電壓200～750 V DC全電壓段直流充電樁測(cè)試，且浪費(fèi)了大量電能，系統(tǒng)效率較低。

當(dāng)前遠(yuǎn)程測(cè)試技術(shù)的研發(fā)也有大量報(bào)導(dǎo)[6-7]，主要缺陷是有車充電才能測(cè)，測(cè)試項(xiàng)目及參數(shù)受諸多約束，難以實(shí)現(xiàn)全覆蓋。

文獻(xiàn)[8]提出的充電樁檢測(cè)平臺(tái)覆蓋了足夠?qū)挼碾妷悍秶?，能夠?qū)σ话愠潆姌哆M(jìn)行常規(guī)測(cè)試，但其內(nèi)部采用了大量測(cè)試儀表。文獻(xiàn)[9]提出了可直接使用于充電樁所在地的檢測(cè)平臺(tái)，雖然將設(shè)備高度集成于集裝箱內(nèi)，提高了集成度，但仍需使用示波器、功率測(cè)試儀等傳統(tǒng)測(cè)試裝備，導(dǎo)致充電樁檢測(cè)平臺(tái)本身過于繁重。文獻(xiàn)[10]提出了具有強(qiáng)移動(dòng)性、高智能化的充電樁測(cè)試裝置，雖然能響應(yīng)上文中提出的便攜化、智能化等測(cè)試要求，但仍無法為雙向型充電設(shè)施提供檢測(cè)服務(wù)。

因此，研究適用于雙向功率控制的直流充電設(shè)施的新型檢測(cè)技術(shù)具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值和市場(chǎng)前景。

本文針對(duì)此問題，提出了多個(gè)雙向功率型直流充電設(shè)施互為源荷的測(cè)試方法及其控制策略：首先以兩個(gè)雙向功率型直流充電設(shè)施為例，提出了兩臺(tái)充電設(shè)施背靠背互測(cè)的電路拓?fù)洌軠y(cè)樁和負(fù)荷樁各自依據(jù)報(bào)文信息，通過控制前端變流器及閉鎖后端橋臂IGBT，完成互測(cè)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了能量的流入與對(duì)等流出；此外，為提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，應(yīng)對(duì)參數(shù)失配等問題，充電設(shè)施前端采用模糊自適應(yīng)PI控制；在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了仿真模型，并對(duì)測(cè)試方法及其拓?fù)涞目刂撇呗赃M(jìn)行了驗(yàn)證；最后，搭建了基于NI實(shí)時(shí)仿真器的雙向功率型直流充電樁互測(cè)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)互測(cè)原理的有效性和正確性進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)互測(cè)方法的應(yīng)用進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 雙向型直流充電樁互測(cè)技術(shù)原理

當(dāng)前主流雙向型直流充電樁后端拓?fù)湟活悶楦綦x雙向全橋DC/DC變換，一類為Buck-Boost型DC/DC變換。前者可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)控制、器件應(yīng)力小、工作頻率高，但器件較多、控制較復(fù)雜、成本較高[11]；后者控制簡(jiǎn)單、器件較少、成本低，但器件應(yīng)力高、工作頻率受限[12-13]。

綜合考慮成本、可靠性、系統(tǒng)適應(yīng)性等指標(biāo)，本文針對(duì)圖1所示的后端為Buck-Boost型DC/DC變換雙向型直流充電機(jī)進(jìn)行互測(cè)方法工作原理說明，提出的直流充電樁互測(cè)方法原理拓?fù)淙鐖D2所示。

圖1 充電機(jī)后端為Buck-Boost型DC/DC變換Fig.1 The rear end of charger is Buck-Boost DC/DC converter

圖2 充電樁背靠背互測(cè)原理拓?fù)銯ig.2 Topology of back-to-back mutual measurement principle of charging pile

由圖2可知，兩個(gè)直流充電機(jī)直流輸出側(cè)相互連接，一個(gè)充電樁為受測(cè)樁，一個(gè)充電樁為模擬負(fù)荷。受測(cè)樁按對(duì)電池負(fù)載充電控制策略運(yùn)行；模擬負(fù)荷樁按模擬電池受電后端電壓變化特征及將其吸收的有功功率逆變至電網(wǎng)的控制策略運(yùn)行。

受測(cè)充電樁前端PWM整流器基于給定電壓，控制整流直流輸出電壓，后端Buck-Boost斬波器工作于降壓斬波模式，下橋臂的升壓IGBT閉鎖，根據(jù)模擬電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）的報(bào)文系統(tǒng)上傳的信息按定電流控制；模擬負(fù)荷樁后端Buck-Boost斬波器的上下橋臂IGBT全部閉鎖，前端PWM整流器基于模擬的電池電壓控制整流器直流輸出電壓，并將其從受測(cè)充電樁吸納的有功功率反饋給電網(wǎng)。

完成測(cè)試后，受測(cè)樁改為模擬負(fù)荷樁，而原來設(shè)置為模擬負(fù)荷樁改為受測(cè)樁，這樣便可以快速完成充電設(shè)施的互測(cè)。為使分析過程更加簡(jiǎn)潔，將圖2主電路簡(jiǎn)化為圖3所示的等效電路。

圖3 互測(cè)等效電路Fig.3 Mutual test equivalent circuit

本文提出的測(cè)試方法有如下特點(diǎn)：

1）充電樁空閑待機(jī)狀態(tài)下自動(dòng)測(cè)試，不影響用戶正常充電、無需人為現(xiàn)場(chǎng)干預(yù)，測(cè)試效率高；

2）測(cè)試數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)多元信息（季節(jié)、溫度等），便于長(zhǎng)期有序積累，形成充電設(shè)施運(yùn)維的大數(shù)據(jù)；

3）測(cè)試系統(tǒng)可遠(yuǎn)程監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)預(yù)警，生成檢修方案，提高設(shè)備可用率。

4）遠(yuǎn)程操作性?；y(cè)方法可支撐遠(yuǎn)程自動(dòng)檢測(cè)；現(xiàn)有測(cè)試方法僅支持現(xiàn)場(chǎng)操作。

5）測(cè)試功率反饋電網(wǎng)，測(cè)試能效高。

2 雙向型直流充電樁互測(cè)技術(shù)控制策略

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)分為受測(cè)樁和負(fù)荷樁兩部分，分別采用不同的控制策略。

2.1 受測(cè)樁控制策略

由圖2可知，受測(cè)樁控制策略包含兩部分：PWM整流器和Buck-Boost雙向DC/DC變換，以下分別分析其控制策略。

2.1.1 PWM整流器

前端PWM整流器基于給定電壓控制整流直流輸出電壓，控制框圖見圖4所示，其中上標(biāo)“*”代表給定變量。

圖4 受測(cè)樁整流器控制框圖Fig.4 Control block diagram of tested pile rectifier

圖4中，整流器采用有功無功電流解耦控制。電流解耦控制可以更直觀地對(duì)充電過程中的有功、無功功率分別進(jìn)行控制[14]。電流給定值與實(shí)際值的偏差Δid，Δiq經(jīng)過模糊自適應(yīng)PI控制器再經(jīng)過d，q，0軸到a，b，c軸的坐標(biāo)變換得到三相控制信號(hào)Sa，Sb，Sc，與三角載波比較產(chǎn)生相位相差120°的SPWM波，從而控制逆變電路工作。

為提高系統(tǒng)魯棒性、應(yīng)對(duì)參數(shù)失配等問題，本文將傳統(tǒng)PI控制與模糊自適應(yīng)控制結(jié)合，提出模糊自適應(yīng)PI控制，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 模糊自適應(yīng)PI控制結(jié)構(gòu)Fig.5 Fuzzy adaptive PI control structure

如圖5所示，取常規(guī)方案的PI參數(shù)作為基準(zhǔn)值，以實(shí)時(shí)誤差e和誤差變化率ec作為模糊自適應(yīng)PI控制的輸入，根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表，在基準(zhǔn)值上進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，既保證了控制策略的穩(wěn)定性，又提升了其動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。模糊規(guī)則表如表1、表2所示。

表1 KP的模糊規(guī)則表Tab.1 Fuzzy rule table of KP

表2 Ki的模糊規(guī)則表Tab.2 Fuzzy rule table of Ki

將e，ec定義為模糊集上的論域：[-3，3]，模糊子集為{NB（負(fù)大），NM（負(fù)中），NS（負(fù)?。?，ZO（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）}。如圖6所示，以e為例，除模糊子集NB，PB分別采用Z形、S形隸屬函數(shù)，其余模糊子集均采用三角形隸屬函數(shù)。

圖6 e的隸屬函數(shù)Fig.6 Degree membership of e

根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計(jì)PI參數(shù)的模糊矩陣表，查得修正參數(shù)代入下式進(jìn)行計(jì)算，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)PI參數(shù)的在線自我修正。

2.1.2 Buck-Boost斬波器

受測(cè)樁后端Buck-Boost斬波器工作于降壓斬波模式，下橋臂的升壓IGBT閉鎖，根據(jù)模擬BMS報(bào)文系統(tǒng)上傳的信息按定電流控制，控制見圖7所示。

圖7 受測(cè)樁降壓斬波控制Fig.7 Buck chopper control of tested pile

由圖7可知，給定電流與實(shí)際電流的偏差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，其值與三角波進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生PWM波控制斬波器的導(dǎo)通和關(guān)斷。

2.2 負(fù)載樁策略

模擬負(fù)荷樁后端Buck-Boost斬波器的上下橋臂IGBT全部閉鎖，前端PWM逆變器基于模擬的電池電壓控制逆變器直流母線電壓，并將吸收的有功功率反饋至交流電網(wǎng)，在穩(wěn)態(tài)情況下，電流給定值，其控制策略和受測(cè)樁一致，如圖5所示。

3 仿真研究

3.1 仿真參數(shù)選取

穩(wěn)態(tài)條件下，忽略PWM變流器交流側(cè)電阻，其交流側(cè)矢量關(guān)系如圖8所示。其中，E為交流電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量，U為PWM變換器交流側(cè)電壓矢量，UL為交流側(cè)電感電壓矢量，I為交流側(cè)電流矢量。為不失一般性，矢量U端點(diǎn)位于圓軌跡M點(diǎn)處。

圖8 變流器交流側(cè)矢量關(guān)系Fig.8 AC side vector relation of converter

設(shè)變流器交流側(cè)功率因數(shù)角為δ，針對(duì)圖8中的三角形O1OM，則θ=90°-δ，由余弦定理可得

式中：L為直流側(cè)濾波電感；Em為電網(wǎng)相電壓的峰值；Im為交流側(cè)基波相電流峰值。

對(duì)于直流側(cè)電容C的選取，應(yīng)在保證系統(tǒng)直流側(cè)電壓波動(dòng)不超過限制的情況下做折中處理，盡量保證電容量小一點(diǎn)。在工程經(jīng)驗(yàn)中，通常借助能量守恒原理，通過開關(guān)有功損耗來計(jì)算電容量大?。?/p>

式中：η為補(bǔ)償能量系數(shù)，文中取0.9；IN為額定相電流；k為直流側(cè)電壓波動(dòng)系數(shù)，文中取0.05。

后端Buck-Boost斬波器通過輸出電壓及電感電流的紋波設(shè)計(jì)可得：

式中：L為斬波器電感；Uin為輸入電壓；Dy為占空比；ΔiL為電感電流紋波；f為開關(guān)頻率；C為斬波器電容；Io為輸出電流；ΔUo為輸出電壓紋波。

在Matlab仿真環(huán)境下，仿真參數(shù)設(shè)置為：三相電源電壓頻率為50 Hz，線電壓有效值為380 V，充電樁輸出功率9 kW。同時(shí)，根據(jù)上述公式，計(jì)算可得：整流電路交流側(cè)電感3.6 mH，直流輸出側(cè)平波電感3.6 mH，直流母線電容5 mF，直流輸出側(cè)穩(wěn)壓電容10 mF。

3.2 負(fù)載樁模擬電池端電壓DC 500 V

負(fù)荷樁模擬電壓為500 V的電池，即模擬樁直流側(cè)電壓給定值U*dc=500 V，控制待測(cè)充電樁輸出電流維持在18 A。

交流電網(wǎng)電壓、電流波形仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 交流電壓電流波形Fig.9 AC voltage current waveforms

圖9波形分別為交流電網(wǎng)電壓Ua、電流Ia、模擬負(fù)荷變流器入網(wǎng)電流Ia0波形，從仿真結(jié)果可以看出，電流Ia，Ia0接近于正弦波，Ia與Ua同相位時(shí)，待測(cè)充電樁整流器運(yùn)行于單位功率因數(shù)；Ia0與Ua相位相差180°時(shí)，模擬負(fù)荷變流器工作于單位功率因數(shù)逆變狀態(tài)，將電能回饋給電網(wǎng)。

端電壓為500 V DC電池模擬仿真結(jié)果如圖10所示。待測(cè)充電樁輸出電壓Udc維持在500 V，充電電流Io維持在18 A，輸出功率Po為9 kW，模擬負(fù)荷充電樁輸出功率Pb為-9 kW，無功功率為0，即實(shí)現(xiàn)了待測(cè)充電樁的輸出功率全部回饋電網(wǎng)。

圖10 端電壓為500 V DC電池模擬仿真圖Fig.10 Simulation diagram of 500 V DC battery with terminal voltage

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)本文提出的雙向功率型直流充電樁互測(cè)方法，搭建了如圖11所示的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)原理圖。

圖11 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)原理圖Fig.11 The schematic of testing verify system

圖11中，系統(tǒng)主電路電源由Chroma公司生產(chǎn)的電網(wǎng)模擬器（型號(hào)61860）提供，被測(cè)樁和負(fù)荷模擬樁由NI實(shí)時(shí)仿真器PXIe-1082通過實(shí)時(shí)仿真提供充放電控制和數(shù)據(jù)分析，測(cè)試點(diǎn)為兩個(gè)PWM變流器的交流接入點(diǎn)。測(cè)量采用福祿克Topaz2000電能質(zhì)量分析儀和橫河電機(jī)示波記錄儀DL850。測(cè)試點(diǎn)并網(wǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 測(cè)試點(diǎn)并網(wǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.3 Grid connection measured data of test points

圖12、圖13分別為被測(cè)樁、負(fù)荷模擬樁接入系統(tǒng)測(cè)試點(diǎn)電壓、電流波形。

圖12 被測(cè)樁接入系統(tǒng)測(cè)試點(diǎn)電壓電流波形Fig.12 The voltage and current waveforms of the tested piles when connected to system the measuring point

由圖12、圖13波形可知，被測(cè)樁和負(fù)荷模擬樁互測(cè)時(shí)均能達(dá)到高功率因數(shù)接入系統(tǒng)運(yùn)行。

表4為被測(cè)樁、負(fù)荷模擬樁等充電設(shè)施充電功率、回饋功率、損耗功率的變化及對(duì)應(yīng)效率實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

表4 充電設(shè)施自測(cè)系統(tǒng)效率Tab.4 Efficiency of self-testing system for the charging facilities

圖14為系統(tǒng)效率隨充電功率變化曲線圖，可見，隨著充電功率增加，互測(cè)系統(tǒng)的效率是提升的。

圖14 系統(tǒng)效率隨充電功率變化曲線圖Fig.14 Relationship curve between system efficiency and charging power

5 結(jié)論

研究雙向功率控制的直流充電設(shè)施的新型檢測(cè)技術(shù)具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值和市場(chǎng)前景。本文提出了適用于多個(gè)雙向功率型直流充電設(shè)施互為源荷的測(cè)試方法及其控制策略：

1）受測(cè)充電樁前端PWM整流器基于給定電壓控制整流直流輸出電壓，后端Buck-Boost斬波器工作于降壓斬波模式，下橋臂的升壓IGBT閉鎖，根據(jù)模擬BMS報(bào)文系統(tǒng)上傳的信息按定電流控制。

2）模擬負(fù)荷樁后端Buck-Boost斬波器的上下橋臂IGBT全部閉鎖，前端PWM整流器基于模擬的電池電壓控制整流器直流輸出電壓，并將吸收的有功功率反饋至交流電網(wǎng)。

3）該測(cè)試方法及控制策略能有效支撐遠(yuǎn)程自動(dòng)檢測(cè)，同時(shí)最大程度提升了充電設(shè)施靈活充電、電網(wǎng)支撐的可用性。