V2G模式下的電動汽車充放電控制思路探究與討論

呼延洪

摘 要：電動汽車屬于動態(tài)負(fù)荷，充電行為的隨機(jī)性較強(qiáng)，對電網(wǎng)具有較大影響。當(dāng)電動汽車大規(guī)模無序充電的過程中，在很大程度上降低了電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性。因此，人們要積極探索科學(xué)有效的控制措施，控制電動汽車有序充放電，改善相應(yīng)區(qū)域電網(wǎng)的負(fù)荷特性，確保電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性。基于此，本文首先對V2G技術(shù)進(jìn)行了闡述，然后分析了V2G雙向充放電裝置的基本結(jié)構(gòu)，提出相應(yīng)的控制策略，最后深入探究V2G控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：V2G模式 電動汽車 充放電控制思路 探究

電動汽車在安全行駛過程中，需要電池提供充足的電能，而電池是一種儲能元件，能夠從系統(tǒng)吸取電能，并在電網(wǎng)負(fù)荷處于高峰的狀態(tài)下，可以借助V2G技術(shù)將能量安全輸送給系統(tǒng)。因此，在V2G模式下，主動探究電動汽車充放電控制思路，創(chuàng)新其控制策略，有效引導(dǎo)用戶有序進(jìn)行電動汽車的充放電，對提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性、接納可再生能源的能力具有十分重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 V2G技術(shù)闡述

1.1 概念

V2G技術(shù)主要是借助電氣、計(jì)算機(jī)、通信等多個(gè)學(xué)科的專業(yè)知識和技能，實(shí)現(xiàn)電動汽車和電網(wǎng)互動。當(dāng)電動汽車為空閑狀態(tài)時(shí)，借助相應(yīng)的蓄電池，有效儲存能量，在智能電網(wǎng)的聯(lián)通下完成削峰填谷，促進(jìn)電動汽車有序充放電。

基于V2G模式下電動汽車電池作為儲能單元，當(dāng)其電量低于電網(wǎng)負(fù)荷時(shí)，借助電網(wǎng)能量流動，為電動汽車補(bǔ)充電量，促進(jìn)其安全穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷較高時(shí)，電動汽車處于空閑狀態(tài)，借助相關(guān)電子設(shè)備反饋將電能有效輸送給電網(wǎng)。當(dāng)電動汽車不運(yùn)行時(shí)和電網(wǎng)有效連接，當(dāng)其達(dá)到相應(yīng)數(shù)量的情況下，可以將這些電動汽車的蓄電池當(dāng)作分布式儲能單位，完成電網(wǎng)的基礎(chǔ)服務(wù)。電動汽車和電網(wǎng)之間，借助多種方式進(jìn)行聯(lián)通，并在相對應(yīng)的連接系統(tǒng)平臺內(nèi)，電能可以向電網(wǎng)有效轉(zhuǎn)換部分火力發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等部分可再生新能源的轉(zhuǎn)換，促進(jìn)兩者之間的能量有效流動和利用[1]。電動汽車用戶可以在電價(jià)低時(shí)，從電網(wǎng)買電，電價(jià)高時(shí)結(jié)合實(shí)際情況向電網(wǎng)售電，獲得相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)收益。

1.2 實(shí)現(xiàn)方式

（1）集中式V2G。通常情況下，電動汽車在大型場合的數(shù)量較多。可以將其看作一個(gè)群體，并結(jié)合當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)運(yùn)行的實(shí)際情況，對電量的需求，合理調(diào)度場合類的電動汽車，選擇適宜的調(diào)度方式，對于各類汽車進(jìn)行有序充放電，合理配置電能，有效緩解負(fù)荷增加的不良現(xiàn)象，提高電能利用率。當(dāng)前較多企業(yè)應(yīng)用了集中式V2G系統(tǒng)，將充電樁合理布置在大規(guī)模區(qū)域中心，有利于電動汽車有效完成充放電。相關(guān)學(xué)者對V2G技術(shù)進(jìn)行深入研究，構(gòu)建電網(wǎng)和電動汽車的應(yīng)用平臺，通過該平臺發(fā)送調(diào)度信號，提高整個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)電動汽車調(diào)度效果。（2）自治式V2G。其實(shí)現(xiàn)方法主要是借助連接設(shè)備，將一輛電動汽車和電網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)通。電動汽車靈活性較高，在不同位置都能夠停放，數(shù)量多且分散。在夜間設(shè)置V2G的充電器，結(jié)合電網(wǎng)電能供給需求，進(jìn)行夜間電網(wǎng)互聯(lián)、電能互補(bǔ)，有效突破時(shí)間和空間的局限性，但是該種實(shí)現(xiàn)方式需要兩者具有一定的智能程序和技術(shù)[2]。（3）基于微網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方式。我國科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，智能電網(wǎng)不斷完善，增加了微電網(wǎng)頻率，借助分布式電源等不同類型的平臺，形成小型配電系統(tǒng)，具有自動控制、保護(hù)管理等多項(xiàng)功能。結(jié)合微電網(wǎng)和V2G的特點(diǎn)，將電動汽車當(dāng)作儲能設(shè)備有效連接微電網(wǎng)。4.基于更換電池的V2G實(shí)現(xiàn)方式。電動汽車換電站中包含較多更換的電磁，在確保部分電池電量充足，滿足用戶的換電需求，能夠集中利用其他電池，優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行，形成大容量儲能系統(tǒng)，提高電網(wǎng)的基礎(chǔ)性服務(wù)。該種實(shí)現(xiàn)方式無需向電網(wǎng)接入電動汽車，對電動汽車的正常行駛不會產(chǎn)生任何影響，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 V2G雙向充放電裝置結(jié)構(gòu)

充放電裝置在V2G系統(tǒng)中具有十分重要的作用，是核心裝置，能夠保持能量能夠順利地雙向流動，進(jìn)一步保障信息能夠雙向發(fā)送、接收，高效地完成充放電動作，保證系統(tǒng)處于安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。其中雙向變換器在實(shí)際應(yīng)用中，能夠更加精準(zhǔn)控制電池的整體過程，在電動汽車充放電的過程中起到良好的調(diào)節(jié)作用，延長電池的使用周期。

電動汽車的蓄電池存儲能源，可以通過單級式、雙級式V2G變換器交換能量。系統(tǒng)在車載動力不同時(shí)，發(fā)出相對應(yīng)的指令進(jìn)行正常工作。如，充電的過程中，系統(tǒng)形成直流電，抵消諧波電流，實(shí)現(xiàn)電流正弦化；放電的過程中，系統(tǒng)產(chǎn)生一定的電壓，借助變換器進(jìn)行針對性處理后并網(wǎng)，完成電動汽車電池放電。

2.1 AC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電動汽車在V2G系統(tǒng)中進(jìn)行充放電，經(jīng)歷過程存在一定差異性，而AC-DC變換器具有良好的應(yīng)用效果，能夠滿足各項(xiàng)功能需求。選用雙向AC-DC變換電路的過程中，綜合分析電路設(shè)計(jì)功能是否符合要求，并考慮相應(yīng)控制措施涉及的相關(guān)問題。AC-DC電路需要完成的功能主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：電動汽車充電中，在AC-DC變換電路中經(jīng)過電網(wǎng)側(cè)電壓時(shí)，將其有效轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷海€(wěn)定性和功率因數(shù)較高；電動汽車放電中，將蓄電池直流電有效逆變?yōu)榻涣麟?，并且AC-DC變換電路能夠諧波電流，最大限度降低對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生的不良影響。

三相電壓型變換器結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，運(yùn)行安全穩(wěn)定性強(qiáng)，三相電流型變換器應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)電感更大，但是成本高，運(yùn)行中容易受到多方面因素的影響，安全隱患多，并且對信號反饋相對緩慢。因此，本研究中選擇三相電壓型變換器，提高設(shè)備操作質(zhì)量和效率，有利于電動汽車隨意轉(zhuǎn)變充放電狀態(tài)，并保持充放電的有效性與可靠性[3]。

2.2 DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中能夠有效控制電動汽車的充放電過程。因此，相關(guān)人員在電動汽車充放電控制過程中應(yīng)當(dāng)深入研究DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，發(fā)揮其應(yīng)用優(yōu)勢，提高該結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果。DC-DC變換器中主要包含隔離、非隔離這兩種不同的類型，在使用過程中難易程度有所不同，前者相對繁雜，成本高，并對大多數(shù)電動汽車而言增加其負(fù)重；后者在實(shí)際應(yīng)用中，控制驅(qū)動操作便捷，半橋結(jié)構(gòu)簡單，涉及較少的器件，控制策略實(shí)現(xiàn)難度較低，轉(zhuǎn)換效率高。

3 電動汽車有序充放電控制策略

3.1 定時(shí)模式

結(jié)合電動汽車的實(shí)際情況進(jìn)行分析，平均每天有90%的時(shí)間為空閑狀態(tài)，為V2G定時(shí)充電模式策略的實(shí)現(xiàn)提供了可能。該策略實(shí)施的過程中，主要將可統(tǒng)一調(diào)度的電動汽車，在峰荷時(shí)段、谷荷時(shí)段分別進(jìn)行集中放電、充電，有效實(shí)現(xiàn)削峰填谷的目的。定時(shí)模式在實(shí)際應(yīng)用中，需要相關(guān)人員結(jié)合實(shí)際情況，按照各項(xiàng)要求，預(yù)先設(shè)定電動汽車充放電時(shí)間，并綜合判定電動汽車是否處于充電時(shí)段，并分析車載電池能否達(dá)到充電要求，當(dāng)其滿足各項(xiàng)要求的情況下，及時(shí)發(fā)出指令，傳送給動力電池有序完成充放電。

3.2 負(fù)荷整形模式

該控制策略在實(shí)際應(yīng)用過程中，需要研究人員根據(jù)實(shí)際情況，準(zhǔn)確計(jì)算負(fù)荷曲線的平均值，并以此為基礎(chǔ)，確定基準(zhǔn)負(fù)荷功率，V2G充電樁以可變功率高效完成充放電。在電動汽車充放電的過程中，綜合判斷其實(shí)際情況，可以實(shí)時(shí)計(jì)算負(fù)荷功率，將其和預(yù)先設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行對比分析，兩者的差值能夠有效體現(xiàn)出充放電狀態(tài)。如，預(yù)先設(shè)定基準(zhǔn)負(fù)荷功率，通過全面檢測，并準(zhǔn)確計(jì)算負(fù)荷功率和設(shè)定值的差值為零時(shí)，表明電動汽車未進(jìn)行充放電操作，反之，代表其處于充放電狀態(tài)[4]。

3.3 定峰模式

該控制策略應(yīng)用中，研究人員應(yīng)當(dāng)明確邊界條件，以負(fù)荷量為基礎(chǔ)，并基于V2G系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電動汽車集中式充放電，達(dá)到削峰填谷的目的，在此過程中，通過變壓器具體容量決定負(fù)荷量，合理設(shè)定具體參量，當(dāng)其大于變壓器額定容量80%時(shí)，代表電動汽車處于放電狀態(tài)；小于其70%時(shí)，處于充電狀態(tài)；在變壓器額定容量的70%-80%時(shí)，表明其不參與負(fù)荷曲線的調(diào)整。另外，研究人員合理設(shè)定上下邊界條件，針對性檢測負(fù)荷曲線所在區(qū)間，綜合判定車載電池的實(shí)際情況，確保其符合充放電條件的情況下，向其發(fā)出相應(yīng)的指令。

3.4 V2G和儲能配合模式

基于負(fù)荷整形模式策略，將負(fù)荷功率和設(shè)定值的差值（ΔP1）超出電動汽車充放電功率范圍的部分，表示為ΔP2，借助儲能電池消納該超出的部分，進(jìn)一步調(diào)整電網(wǎng)負(fù)荷曲線，獲得良好的削峰填谷效果。該控制策略的流程（如圖1所示），V2G充電樁和儲能電池的充放電功率分別表示為PEV、PBA。該控制策略在實(shí)際應(yīng)用中，主要是基于負(fù)荷整形模式，增加儲能電池，通過補(bǔ)充ΔP2而實(shí)現(xiàn)。

4 V2G模式下的電動汽車充放電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 整體V2G控制系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)中包含電壓源型逆變器控制部分、DC-DC模塊，測試電網(wǎng)電壓、電流等，并合理設(shè)置相關(guān)參數(shù)，對電網(wǎng)和電動汽車的能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行針對性控制。在不同電網(wǎng)的運(yùn)行條件下，需要3個(gè)電壓、電流信號，需要設(shè)計(jì)人員詳細(xì)分析電網(wǎng)的實(shí)際狀況，獲得電壓、電流信號形式。VIS控制模塊主要借助鎖相環(huán)，實(shí)時(shí)跟進(jìn)相關(guān)電壓、電流等信號，獲取各項(xiàng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如幅值、頻率等，并針對性調(diào)節(jié)回路，對有功和無功功率等各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行全面分析，并研究這些參數(shù)生成相應(yīng)的調(diào)制函數(shù)，從而獲得脈沖寬度調(diào)制信號。

4.2 變換器控制設(shè)計(jì)

AC-DC雙向變換器在實(shí)際應(yīng)用過程中，基于空間矢量，借助級聯(lián)獲得良好的控制效果。借助電壓外環(huán)針對性控制整個(gè)系統(tǒng)的電壓，進(jìn)一步保障系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。例如，電壓由電壓環(huán)控制，生成參考電流，合理調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并通過電壓環(huán)、電流環(huán)之間的互相作用，有效控制V2G模式下的電動汽車充放電控制系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù)。在操作中，結(jié)合有功和無功功率參數(shù)，明確基準(zhǔn)電流，輸出功率受到相關(guān)因素的影響，具有不同的變化，借助電流、電壓的控制，有效調(diào)節(jié)整體功率。如，有功功率發(fā)生一定程度的變化，就會獲得相對應(yīng)的基準(zhǔn)電流，從而對無功功率的參數(shù)進(jìn)行控制和改變，獲取所需的基準(zhǔn)電流[5]。

利用電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)對DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制，提高控制效果，促進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。在實(shí)際操作中，對直流母線電壓、直流母線電壓參數(shù)進(jìn)行對比分析，通過PI調(diào)節(jié)后，與電池側(cè)實(shí)際電流進(jìn)行比較，獲得相應(yīng)結(jié)果通過比例積分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)，生成脈寬調(diào)制信號，從而對DC-DC雙向變換器具有良好的控制效果。

4.3 鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

鎖相環(huán)設(shè)計(jì)過程中，電動汽車饋電時(shí)，讀取電網(wǎng)電壓的相應(yīng)參數(shù)，進(jìn)行并網(wǎng)。在不同電網(wǎng)中，鎖相環(huán)以正交正弦信號，對比系統(tǒng)內(nèi)的信號，獲得電網(wǎng)電壓參數(shù)。因此，當(dāng)電動汽車和不同電網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)通時(shí)，發(fā)聵情況存在一定差異。如，三相電網(wǎng)，借助Clark變換獲取信號；單相電網(wǎng)，借助濾波器，信號會有所延遲。因此，單相電網(wǎng)實(shí)時(shí)跟進(jìn)情況和次數(shù)會在一定程度上有所降低。因此，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，優(yōu)化鎖相環(huán)模塊，便于系統(tǒng)運(yùn)行中，電壓信號通過設(shè)計(jì)的正交信號共同借助Clark進(jìn)行優(yōu)化，獲得α-β信號，并進(jìn)行實(shí)際操作進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲得相位差，具有相關(guān)信息，并利用計(jì)算方式，獲得結(jié)果參數(shù)，當(dāng)作積分環(huán)節(jié)的輸入，從而計(jì)算出電壓相位角θg。

4.4 基準(zhǔn)電流

電動汽車充放電的過程中，合理調(diào)節(jié)相關(guān)有功功率（Pref）和無功功率（Qref），產(chǎn)生相對應(yīng)的正負(fù)值，同時(shí)進(jìn)行充放電、能量轉(zhuǎn)換的雙重功能。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的過程中，鎖相環(huán)設(shè)計(jì)能夠有效調(diào)節(jié)q軸內(nèi)的分量，實(shí)現(xiàn)uq為零，并給出d軸的ud，之后通過變換，獲得基準(zhǔn)電流，計(jì)算過程為：

4.5 傳遞函數(shù)選取

在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中的傳入信號uq、電網(wǎng)電壓各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算出電壓相位角θg等。當(dāng)傳入信號為零時(shí)，d軸分量、電網(wǎng)電壓矢量相位一致，有效鎖定相位。同時(shí)，在系統(tǒng)運(yùn)行中，能夠?qū)崿F(xiàn)q軸的分量鎖定，就可以有效實(shí)現(xiàn)相位鎖定。從而在該情況下，傳遞函數(shù)輸出為電網(wǎng)電壓的頻率值ω，從而借助一階的比例積分控制器，傳遞函數(shù)H（s）為：

公式中，KP代表比例增益；

KI代表積分增益。

獲得所需電網(wǎng)電壓的頻率值之后，通過積分環(huán)節(jié)獲得電壓相位角。

5 結(jié)語

本文基于V2G模式，深入探討了電動汽車充放電控制策略，詳細(xì)分析了V2G技術(shù)的概念和實(shí)現(xiàn)方式，充分發(fā)揮其重要作用，以變換器作為整個(gè)控制系統(tǒng)的中樞、負(fù)載功能，并起到功率雙向流動的作用。但是，V2G變換器在實(shí)際應(yīng)用中其運(yùn)行方式相對復(fù)雜，對其進(jìn)行研究，有利于V2G變換器不斷進(jìn)步和發(fā)展，實(shí)現(xiàn)V2G變換器雙向放電策略，有效控制電動汽車有序進(jìn)行充放電。

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