考慮快速充電站影響的前饋功率控制策略

作者簡介：李家強（1995-），男，碩士。研究方向為新能源動力汽車充電技術(shù)、換流器并網(wǎng)控制。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.020

摘? 要：當微電網(wǎng)應對大負荷快速投切時，直流母線容易產(chǎn)生大幅度電壓波動，產(chǎn)生大量諧波電流。該問題導致系統(tǒng)效率大大降低，并且威脅系統(tǒng)穩(wěn)定性。在微電網(wǎng)環(huán)境下，當充電功率變化速率過快時，容易導致上述問題。因此針對快速充電站接入微電網(wǎng)中所導致的直流母線電壓波動的問題，提出一種含前饋功率的功率控制策略。當用戶需要充電時，結(jié)合充電汽車的充電特性與用戶充電需求，生成前饋功率曲線，再進行充電。通過MATLBAB/Simulink仿真進行對比分析，得出該控制策略控制方式相比于不含前饋功率的控制方式具有相應速度快，直流電壓可以快速穩(wěn)定，并且諧波含量少等優(yōu)點，具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：快速充電站；前饋功率控制；PWM；諧波電流；充電特性

中圖分類號：TM933? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）16-0087-04

Abstract： When the microgrid is quickly switched on and off under heavy load， the DC bus is easy to produce large voltage fluctuation and a large amount of harmonic current. This problem greatly reduces the efficiency of the system and threatens the stability of the system. In the microgrid environment， when the charging power change rate is too fast， it is easy to cause the above problems. Therefore， in order to solve the problem of DC bus voltage fluctuation caused by fast charging station connected to microgrid， a power control strategy with feedforward power is proposed. When the user needs to charge， combined with the charging characteristics of the rechargeable vehicle and the charging needs of the user， the feedforward power curve is generated and then charged. Through the comparative analysis of MATLAB/Simulink simulation， it is concluded that compared with the control method without feedforward power， this control strategy has the advantages of faster speed， fast and stable DC voltage and less harmonic content， so it has a certain reference value.

Keywords： fast charging station; feedforward power control; PWM; harmonic current; charging characteristics

自國家電網(wǎng)2018年3月份發(fā)布的招標文件首次出現(xiàn)了直流電壓500 V充電站的招標需求以來。近幾年，高功率直流充電在國內(nèi)發(fā)展非常迅猛。根據(jù)國家電網(wǎng)公司相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，目前快速充電站的平均充電功率在60～80 kW，相比2010年充電平均功率提升了2～3倍。而國內(nèi)目前最快的特斯拉三代“超級”充電樁的平均功率已經(jīng)達到120～150 kW，額定功率高達250 kW。超級充電樁相比目前主流充電樁相比節(jié)約近50%時間，5 min所充電量可達120 km，可以預見，隨著技術(shù)的進步發(fā)展，下一輪充電功率“提速升級”是必然趨勢。2020年6月特斯拉宣布計劃在年內(nèi)于中國再安裝4 000個超級充電樁，而過去5年時間特斯拉在中國140多個城市已經(jīng)投入2 500多個“超級”充電樁，可見中國快速充電格局很有可能又會進入一個新局面。

但是，隨著用戶對于充電速度要求越來越高，快速充電的標準越做越高，許多問題引起相關(guān)學者與工業(yè)界注意。文獻[1]從負荷平衡、電源容量、電能質(zhì)量和環(huán)境4個方面分析電動汽車充電對于電網(wǎng)的影響，并且對目前主流的技術(shù)手段進行了綜述，該文章沒有涉及到快速充電，其指出很多的問題在快速充電過程中體現(xiàn)得更加突出。其中，當快速充電站接入配電網(wǎng)時有功功率變化率超過一定限值時，高密度充電負荷會對配電網(wǎng)造成很大沖擊，從而影響電網(wǎng)穩(wěn)定性，快速充電站在功率變化率過高時會對直流電壓穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，亦會對配網(wǎng)產(chǎn)生一定影響[2-3]。

根據(jù)上述研究內(nèi)容可以看出，對于快速充電站功率變化過快已經(jīng)有了一定研究，而快速充電站作為一種特殊的負荷，在功率輸出上具有一定規(guī)律性，可以作為控制策略的一種參考。針對這一特性，提出一種結(jié)合充電汽車的充電特性與用戶充電需求的前饋功率控制策略。對含有快速充電PWM控制系統(tǒng)進行建模，通過與不含前饋功率的功率控制策略進行對比，分析所提出方法的可行性和有效性。

1? 直流充電機等效電阻模型仿真

根據(jù)特斯拉官方網(wǎng)站公布的某充電站內(nèi)單臺充電機的功率節(jié)點數(shù)據(jù)，采用平滑擬合方式進行數(shù)據(jù)擬合，獲得該臺充電機的功率-時間曲線如圖1所示。

圖1? 瞬時充電功率擬合曲線

根據(jù)圖1，令母線電壓UB=520 V，通過仿真得到該臺充電機等效電阻RL如圖2所示。

圖2? 充電機等效輸入電阻

在EV處于低電狀態(tài)下充電時，由圖1可以看出前3 min時，功率與等效輸入電阻變化很大，而在其后充電時間內(nèi)，功率與等效輸入電阻的變化率相對較小?？紤]到SOC在低電狀態(tài)時進行充電會對系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生相對較大影響，需要重點考慮。

圖1是在充電汽車荷電狀態(tài)SOC為0時進行充電，但大多數(shù)時候用戶不會等到極端狀態(tài)才進行充電，此時瞬時充電功率曲線與圖1不同。當充電汽車處于與圖1不同狀態(tài)時，本文在建模方法上依舊選用上述方法。如果運營中心提前考慮到不同類型的充電汽車，不同SOC、不同的用戶需求給予充電機提供智能的充電方案時，將該數(shù)據(jù)前饋給控制系統(tǒng)，可以極大地緩和因負荷快速投切對系統(tǒng)所造成的沖擊。因此，本文基于運營中心大量歷史充電數(shù)據(jù)，考慮到上述影響因素擬合出多組針對不同充電狀態(tài)下的充電曲線，組建充電曲線數(shù)據(jù)庫，為用戶充電和前饋功率信號生成提供參考。

2? PWM控制策略分析

2.1? 電壓型PWM控制策略分析

電壓型PWM基本控制策略主要有2種，一種是經(jīng)典電流矢量控制，另一種是基于功率控制。本文選取的控制結(jié)構(gòu)采用的是基于上一節(jié)數(shù)學模型所建立的功率內(nèi)環(huán)與電壓平方外環(huán)的控制策略。圖3為不帶功率前饋的功率控制框圖。

圖3? 功率控制框圖

與傳統(tǒng)的電壓外環(huán)相比，采用電壓平方外環(huán)控制策略時，id為變系數(shù)的PI控制；而電壓外環(huán)網(wǎng)側(cè)PWM變換器的輸入電流PI控制系數(shù)為定值。而變系數(shù)的電流PI調(diào)節(jié)器與恒定系數(shù)的電流PI調(diào)節(jié)器相比，在儲能系統(tǒng)初啟動時，直流母線電壓建壓過程中，逐漸增加的電流PI調(diào)節(jié)系數(shù)有效避免了電流沖擊對系統(tǒng)的損害，因此系統(tǒng)穩(wěn)定性相較采用傳統(tǒng)電壓外環(huán)時更好。

而功率內(nèi)環(huán)相較于傳統(tǒng)的電流內(nèi)環(huán)，電流內(nèi)環(huán)控制策略未采集微電網(wǎng)電壓信息，因此當微電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動時，儲能系統(tǒng)的充放電電流不能及時進行調(diào)節(jié)。而采用功率內(nèi)環(huán)控制策略時，PI調(diào)節(jié)器采集了微電網(wǎng)電壓信息，因此能有效抑制由于微電網(wǎng)電壓波動造成的母線電壓的波動。即采用功率控制策略相比于采用電流控制策略，控制系統(tǒng)動態(tài)性能較好。

2.2快速充電機的功率前饋補償

為了使網(wǎng)側(cè)PWM變換器能夠更及時獲取機側(cè)PWM變換器的功率信息，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，本文在網(wǎng)側(cè)PWM變換器采用電壓平方外環(huán)、功率內(nèi)環(huán)的控制策略，結(jié)合了快速充電機的充電特性，增加了功率前饋補償環(huán)節(jié)。通過功率前饋補償環(huán)節(jié)，網(wǎng)側(cè)PWM變換器的控制系統(tǒng)可直接獲知快速充電機的功率變化，進而提高調(diào)節(jié)微電網(wǎng)的電能質(zhì)量的速度，亦可以提高直流電壓的穩(wěn)定性。圖4為含有快速充電機的功率前饋補償?shù)碾p閉環(huán)控制框圖。

圖4? 雙閉環(huán)控制框圖

P'為前饋功率，前饋功率曲線是基于已有的充電曲線數(shù)據(jù)庫，當電動汽車進站充電時，充電機讀取車輛信息后，按照如圖5所示的算法邏輯，選定充電方案并生成前饋功率曲線信號。

前饋功率本質(zhì)上是一個緩沖的功率裝置，其主要作用是維持系統(tǒng)穩(wěn)定，加入前饋功率之后可以極大地提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定，并且可以降低網(wǎng)側(cè)諧波電流含量，本文通過MATLBAB/Simulink搭建仿真模型對該結(jié)論進行驗證。

3? 仿真分析

文章根據(jù)圖3利用MATLBAB/Simulink模型搭建含快速充電站模型。交流測電網(wǎng)電壓為380 V，直流側(cè)電壓為520 V，網(wǎng)側(cè)電阻R=0.3 Ω，電感L=1.6 mH；直流側(cè)電容C=8 200 μF。為了更好模擬站內(nèi)充電汽車充電過程檢驗文章控制方式的有效性，模擬多輛充電汽車有序進站充電的過程，電動汽車荷電狀態(tài)、用戶選擇充電時長以及進站時間如圖6所示。

圖6? 進站充電時間線圖

對于PWM控制器的參數(shù)設(shè)計，外環(huán)電壓平方PI參數(shù)選取kpv=0.8，kiv=15，內(nèi)環(huán)的有功功率PI參數(shù)與無功功率PI參數(shù)設(shè)計時保持一致，kpp=1.375，kip=25。選取不含功率前饋時與含前饋功率時的充電過程進行對比仿真，按照圖5生成前饋功率曲線如圖7所示。

根據(jù)上述參數(shù)進行仿真，對其直流側(cè)電壓與電流諧波畸變率進行對比，截取前10 min時直流側(cè)電壓變化情況進行分析，如圖8所示。

從圖8中可以看出，在沒有加入前饋功率的情況下，當充電汽車在0、2.5、5.5 min開始充電時的瞬間，直流電壓波動明顯，隨后電壓趨于穩(wěn)定。加入前饋功率后，直流電壓波動相較沒有前饋功率時小，同時進入穩(wěn)態(tài)時間較短。2種控制策略下不同時段的諧波比較見表1。

表1? 2種控制策略下不同時段的諧波比較

4結(jié)論

文中提出了一種基于快速充電站的新型前饋功率補償裝置，相較傳統(tǒng)經(jīng)典電流矢量PWM控制方式，該控制方式考慮了網(wǎng)側(cè)電壓的變動，可以實時跟蹤網(wǎng)側(cè)電壓變化情況，實現(xiàn)性能更優(yōu)的PWM控制。此外，根據(jù)快速充電裝置的性質(zhì)增加并設(shè)計了功率前饋裝置，通過Simulink仿真試驗可以看出，增設(shè)功率前饋裝置相比無功率前饋的功率控制時，可以有效改善電壓波動的情況，同時可以降低電流諧波含量。

參考文獻：

[1] 馬玲玲，楊軍，付聰，等.電動汽車充放電對電網(wǎng)影響研究綜述[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2013（3）：146-154.

[2] SAMI M A， WALID G M. Impact of fast charging stations on the voltage flicker in the electric power distribution systems[C]//IEEE Electrical Power & Energy Conference. IEEE， 2017.

[3] 呂金炳，宋輝，劉云，等.電動汽車充電對配電網(wǎng)電壓質(zhì)量的影響研究[J].電測與儀表，2018，55（22）：33-40.