基于V2G技术的电动汽车充放电系统拓扑结构及控制策略研究.pdf

收稿日期:基金项目:教育部产学合作协同育人项目()教育部供需对接就业育人项目()第一作者简介:周静雯()女硕士研究生主要从事电力电子及控制技术的研究通信作者:黄勇()男博士教授主要从事无线传感器网络技术、智能控制技术的研究文章编号:():././.基于 技术的电动汽车充放电系统拓扑结构及控制策略研究周静雯黄 勇来春庆刘泽纬曾晓龙(湖北民族大学 智能科学与工程学院湖北 恩施)摘要:车辆到电网()技术可实现电动汽车与电网能量双向互动可减轻对电力系统的潜在负荷影响并且对电网起到“削峰填谷”的作用以此提高供电可靠性 目前 系统网侧电流谐波的抑制效果并不显著为了降低谐波畸变率设计了一种基于脉宽调制()型整流器和双向 变换器的拓扑结构用以控制网侧与蓄电池的能量流动提出了一种充电和放电时分别采用电压电流双闭环控制以及有限集模型预测电流控制()的策略更好地抑制网侧电流谐波降低谐波畸变率 在/中搭建了 系统模型进行仿真验证仿真结果表明设计的 系统可实现网侧与蓄电池的互动充电状态下网侧电流总谐波畸变率降为.放电状态下网侧电流总谐波畸变率降为.有效解决了电动汽车并网导致的电流谐波畸变关键词:电动汽车充电桩 型整流器空间矢量控制中图分类号:文献标志码:():().().()./.:随着传统能源的日益枯竭电动汽车数量的日益增加我国提出能源节约以及可持续发展政策使得电动汽车并入电网成为未来发展的新潮流和新趋势 电网每日负荷的需求变化以及电网频率波动导致电网的实际效率并不高 是实现车网互动的双向互联技术其核心在于从车到网充分利用电动汽车电池储能使得电动汽车作为负荷的同时也可作为供电储能的一部分 随着 技术的不断发展其不仅第 卷第 期 湖北民族大学学报(自然科学版).年 月 ().可以减轻电动汽车充电对电力系统的潜在负荷影响还可以使存储在电动汽车电池内的能量实现可持续利用对电网起到“削峰填谷”的作用 技术的潜力主要取决于车辆在适当时间参与供电的可靠性、消费者的接受度、电动汽车电池的寿命及放电率等 等重点分析了由于电动汽车充电的随机性和时空性给电网稳定性带来的波动问题需要对 技术采取最佳纯电动汽车()协调以进行成本效益分析 师瑞峰等重点分析了电动汽车入网技术对电网调度、用户需求以及收益的影响 在能源储存方面可就近消纳可再生能源梯级利用退役动力电池将产生广泛的经济效益与社会效益 以上研究表明对 技术的研究是有必要性的目前国内外学者对 技术的控制策略方面有大量研究 金正军等对 模块电池组电压、电流动态稳定时间进行优化实现双向能源互动但对于控制策略缺少深入研究谐波畸变率较高 荆磊等针对双向变换器技术进行研究选取了单极性 调制和平均电流控制 种控制策略 但对于单极性 控制在过零点时电流会出现畸变的问题平均电流控制也未能有效弥补其不足 黄亮等提出了一种基于模糊控制的改进比例谐振()控制器对交流侧三相电流进行控制相比于传统的控制方法对系统的动态响应能力有所提高总谐波失真()值降低至.许力等对电动汽车双向 变换器进行研究分别建立 个小信号数学模型为每环设计分数阶比例积分()控制器 对于负载剧烈变化的电动汽车有更大优势但对于集群式的车辆入网问题未考虑 牛高远等设计了一种双回路双接口的 充放电系统可有效提高充放电的效率但结构比较复杂不适合实际工程应用针对以上电动汽车并网导致的电流谐波畸变问题提出并设计了一种 模式下电动汽车充放电主电路及其控制方法结合 控制策略降低网侧电流总谐波畸变率 同时实现车网能量的双向流动有效提高电动汽车电池的能量利用率 首先根据 的功能进行分析设计主电路结构 对于主电路进行前后两级设计可在 种模式下独立正常运行前级采用三相电压型 整流器后级采用半桥式升降压()电路结构 然后进行总体控制设计在三相电压型 整流器充电运行模式下采用直接功率控制放电运行模式下采用有限集模型预测电流控制 对于双向 变换器采用恒压充电控制和恒流放电控制 采用上述控制策略的 充放电装置优点是减少充放电过程中网侧的电流谐波降低电流谐波畸变率 最后利用/对基于 技术的充放电系统进行建模仿真 电动汽车充放电系统的拓扑结构 双向充放电系统整体拓扑结构如图 所示 此系统运行过程中一种模式是双向()()变换器处于整流状态为电动汽车的电池进行充电此时双向 变换器将整流过后的电压值降至电动汽车电池所需另一种模式是三相 型整流器作为逆变状态双向 变换器处于升压模式将电压升至电网所需此时蓄电池作为供电端为电网供电图 双向充放电系统整体拓扑结构.第 期 周静雯等:基于 技术的电动汽车充放电系统拓扑结构及控制策略研究 图 中:、表示电网侧三相电源电压()表示电网侧电源内阻与开关管内阻之和()表示电网侧电感()表示 变换器储能电感()表示 变换器直流侧所连接的电容()表示 变换器电池侧电容()、表示 变换器的功率开关管、表示 变换器的续流二极管、表示 变换器的功率开关管、表示 变换器的续流二极管.双向 变换器拓扑结构设计一般情况下在电网侧三相电压型 整流器表现为受控电流源特性 此时为实现对电网侧功率因数的有效控制可以使得 整流器处于单位功率因数模式 型整流器理想模型是一种基于空间矢量脉宽调制()的数学模型该模型包括交流()侧回路、绝缘栅双极型晶体管()桥路和直流()侧回路 如果不考虑功率开关管损耗的情况下则 侧回路产生的功率和 侧回路产生的功率应符合功率守恒的等式关系此功率平衡方程如式()所示:()式()中:表示直流侧回路电压()表示直流侧回路电流()表示交流侧回路电压()表示交流侧回路电流()由此式可看出交流侧和直流侧能够实现相互控制从而实现四象限运行假设 型整流器处于理想状态只有基波分量电源电动势的大小和方向是固定的则满足矢量关系():()式()中:表示电源电动势()表示整流器交流侧电感电压矢量的运动轨迹是以电感电压为半径的圆 表示电网交流侧电压矢量 整流器运行时交流侧 种特殊情况下的矢量关系如图 所示()纯电感特性 ()正电阻特性 ()纯电容特性 ()负电阻特性图 三相电压型 整流器的四象限运行图.图 中:表示电源电压电动势()表示整流器交流侧电感电压矢量的运动轨迹是以电感电压为半径的圆 表示电网交流侧电压矢量 表示交流侧电流矢量、表示圆弧分段标号如图()所示电压电动势矢量超前电流矢量相位变换器为纯电感特性如图()所示电压电动势矢量和电流矢量相位保持一致变换器为正电阻特性如图()所示电压电动势矢量滞后电流矢量相位 变换器为纯电容特性如图()所示电压电动势矢量滞后电流矢量相位 变换器为负电阻特性运行过程中一种情况如图()()所示当电压矢量 沿、个圆弧的方向移动时 型整流器就会进入整流状态并把能量由 端输送至 端完成充电过程 另一种情况如图()()所示当电压矢量 沿、个圆弧方向移动时 型整流器就会进入逆变状态并把能量由 端输送到 端从而完成放电过程.双向 变换器拓扑结构设计电动汽车处于充电状态时后级双向 变换器的主要作用是把前级 结构整流后的直流电压降低至电动汽车电池需要的电压值放电状态下输送给前级整流器实现逆变的过程在非隔离型拓扑结构中半桥式 结构是使用最多的一种如图 所示其中双向 变换器采用了 结构 半桥式 电路工作在降压模式时电路中、和续流二极管处于工作状态和 处于关断状态升压模式时电路中、和续流二极管 处于工作状态和 处于关断状态 这种结构能够实现能量的双向流动并有以下优点:具有很高的效率开关管的数 湖北民族大学学报(自然科学版)第 卷目也比较少更加经济实用 目前电动汽车的充电系统多采用此结构 电动汽车充放电系统的控制策略.双向 变换器控制策略.电压电流双闭环控制设计 变换器采用的是电压电流双闭环控制交流侧对三相电压、电流输入系统进行采样先用锁相环()控制电压和电流之间的相位角用克拉克()变换和派克()变换坐标变换将三相电压和电流信号从 坐标系变换成同步旋转 轴坐标系再经过 调制后得到可以驱动变换器的各桥臂驱动信号 系统在充电模式下采用的是一种基于电压电流双闭环控制的 调制的控制策略 控制框图如图 所示图 变换器整流时控制框图.图 有限集模型预测电流控制结构框图.图 中:、表示 坐标系 轴交流侧电压值()、表示交流侧基波电动势()表示直流侧电压值()表示 的给定电压值()、表示电流内环的输出电压值()、表示 坐标系 轴交流侧电流值()、表示、的给定电流参考值()、表示交流侧三相电流值()表示基波的初始角度()、表示 轴变换后的电压基准值().有限集模型预测电流控制 模型预测控制()是一种控制算法在电力电子行业的应用中可以很好地解决非线性、不确定性以及离散状态等问题 其中电力电子行业的变换器可以看成一个复杂并且处于时刻动态的典型系统 变换器的工作模式和状态在不同时刻发生着变化想要得到变换器的数学模型很困难因此在电力电子技术应用中 控制的使用范围非常有限论文提出将一种 方法运用于 系统中控制结构框图如图 所示 由图 可知整个系统都是以电机矢量控制()为基础保持 外环的控制速度并以 为前提条件进行控制 以速度作为外环控制建立转速将转速值和 轴的电流值关联得到 轴电流参考值 并对返回的三相电流值进行采集将采样回来的三相电流值、进行 和 变换得到当前 时刻、轴电流值、三相电压型整流器能够生成 种基本电压矢量且 个零电压矢量作用下的电流变化是一样的所以只需要将 个有效电压矢量和 个零电压矢量分别代入到式()中就可以得到相应的电流预测值、然后将得到的、代入到代价函数式()中与参考电流值、进行比较得到代价函数 最小值所对应的电压矢第 期 周静雯等:基于 技术的电动汽车充放电系统拓扑结构及控制策略研究 量为最优电压矢量并用于下一个周期图 中:表示转子机械参考角速度(/)表示转子机械角速度(/)、表示下一时刻电流预测值、轴分量()、表示、轴电流参考值()、表示交流侧三相电流值()、表示 坐标系 轴交流侧电流值()、表示 坐标系交流侧电流值()、表示整流器 个桥臂()()()式()中:表示控制周期()、表示当前时刻电流采样值、轴分量()、表示下一时刻电流预测值、轴分量()、表示当前时刻电压采样值、轴分量()、表示 坐标系 轴交流侧电压值()表示角速度(/)表示交流侧电感()()式()中、表示、轴电流参考值()、表示下一时刻电流预测值、轴分量()表示代价函数图 恒流放电模式下控制框图.双向 变换器控制设计.恒压充电模式控制策略 恒压充电模式是指在对电池进行充电的过程中将充电电压保持在 个固定的数值并将其与电池的电压进行作差分析得到的差值输入到 调节器中 其输出在受到限制后将被用于电流内环控制系统的电流参考值 电流内环控制在 调节器以及限幅作用下与三角载波信号进行比较以通过 脉冲信号来控制 电路实现恒压过程 恒压充电模式对应的具体控制框图如图 所示 图 中:表示蓄电池的实际电压()表示充电电压参考值()表示蓄电池的实际电流()表示电流参考值()图 恒压充电模式下控制框图.恒流放电模式控制策略 恒流放电模式是通过跟踪电流基准值来实现的它的工作原理很简单在放电过程中将给出的电流和实际测量的数值进行对比然后在 限幅调节之后将其与 个固定的三角形载波量进行对比从而实现恒流放电 恒流放电模式下控制框图如图 所示 图 中:表示蓄电池的实际电流值()表示电流参考值()系统的仿真分析与验证通过仿真软件/搭建模块验证上述控制策略的正确性和系统的稳定性 具体参数为:输入电压有效值 频率 采样频率 输出母线电压 交流侧滤波电感 直流侧电容 锂电池模型/.仿真电路如图 所示总体仿真结构分为两部分:一是控制系统部分二是物理系统部分 物理系统主要包括三相交流电模块、整流器模块、解耦模块、锁 湖北民族大学学报(自然科学版)第 卷相环模块以及蓄电池等 控制系统主要包括电压电流双闭环控制模块、恒流恒压控制模块、调制模块、调制模块等图 仿真电路.充电阶段仿真分析设置锂电池初始荷电状态()为 充电模式下 相电压与电流的波形如图 所示 由图 可知双向 变换器处于整流状态网侧电压和电流同相 充电模式下直流母线电压以及蓄电池电压如图 所示 由图 可知直流侧母线电压迅速上升并稳定在 为后级变换器提供稳定电压满足控制需求 充电模式下 趋势如图 所示 由图 可知蓄电池电荷量处于上升趋势电动汽车处于充电状态 图 相充电模式下电压电流图 充电模式下直流母线电压及蓄电池电压.放电阶段仿真分析设置锂电池初始 为 放电模式下 相电压与电流的波形如图 所示 由图 可知 相电压、电流反相整流器处于逆变状态 放电模式下直流母线电压以及蓄电池电压如图 所示 由图 可知直流侧母线电压迅速上升并保持稳定在 满足控制要求蓄电池电压维持在 进行放电电池放电的稳定性满足需求 放电模式下 趋势如图 所示 由图 可知蓄电池电荷量处于下降趋势电动汽车处于放电状态.谐波电流分析以 相电流为例网侧电流通过傅里叶分解可得出结论:谐波次数主要为、次 充电模式下第 期 周静雯等:基于 技术的电动汽车充放电系统拓扑结构及控制策略研究 控制、直接功率控制如图、所示 由图、可知充电时 控制下网侧电流的总谐波畸变率为.直接功率控制下网侧电流的总谐波畸变率为.放电模式下 控制、直接功率控制如图、所示 由图、可知放电时 控制下网侧电流的总谐波畸变率为 直接功率控制下网侧电流的总谐波畸变率为.由图、可对比出充电过程中网侧电流 由.下降到.由图、可对比出放电过程中网侧电流 由.下降到.可知不同模式下论文所提出的控制策略对网侧电流谐波有良好的抑制作用 图 充电模式下 趋势图 相放电模式下电压电流 .图 放电模式下直流母线电压及蓄电池电压图 放电模式下 趋势 .图 充电模式下 控制图 充电模式下直接功率控制.图 放电模式下直接功率控制图 放电模式下 控制.湖北民族大学学报(自然科学版)第 卷 结论论文分析了 充放电系统的拓扑结构及工作模式并对不同工作模式下的控制策略进行了研究实现电动汽车与电网的双向互联并得出以下结论:)系统在不同模式下可实现充放电进行能量双向流动 前级 变换器选择三相电压型 整流器结构采用直接功率控制下的双闭环控制以及与 控制相结合 后级 变换器选择半桥式 结构采用恒流和恒压控制策略)在/软件中搭建电动汽车 系统仿真模型分析了 技术的充放电 种模式三相电压型 变流器设计的主要参数有滤波电容、电感、直流侧电容等 所搭建的 电动汽车充放电系统主要包括物理系统和控制系统 其中物理系统包括电网侧三相电源模块、整流器模块、半桥式 电路以及蓄电池等 控制模块分为 级前级采用电压外环和电流内环的 调节器、坐标变换以及有限集模型预测电流控制模块等后级采用恒流恒压控制模块 仿真结果表明提出的 控制模式与传统电压电流双闭环控制相结合使得网侧电流 值有所下降对网侧谐波电流起到抑制作用验证了该控制策略的可行性 下一步将利用数字信号处理器()实现该系统的设计参考文献:尹忠东闫卓武石静等.一种基于 的电动汽车充放电系统及其稳态运行研究.电网与清洁能源():.():.师瑞峰李少鹏.电动汽车 问题研究综述.电力系统及其自动化学报():.金正军宋书轩方响等.基于 调节器及 模块开发的双向能源充放电控制系统设计.电机与控制应用():.荆磊张俊峰邱茂航.基于 的双向/变换器控制技术及电流畸变问题的研究.电源学报():.黄亮刘明张锐明.双向充电桩 控制策略研究.电力电子技术():.许力曹青松易星.电动汽车双向 变换器分数阶 控制.微电机():.牛高远孟凡提刘苗苗.功率可扩展的 充放电系统设计及实现.电子产品世界():./.():.成绍桂邵麟港汤佩文等.基于电动汽车 的双向功率变换器电路拓扑分析.时代汽车():.刘波荆磊李博栋等.用于 的双向/变换器设计.机电工程():.赵振民王铮.三相电压型 整流器的双闭环控制研究.电子测试():.洪剑峰张兴曹仁贤等.三电平并网逆变器基于有限集模型预测控制的新型谐波抑制策略.太阳能学报():.王素娥刘晨曦郝鹏飞.基于改进模型预测控制的三相并网逆变器控制策略研究.陕西科技大学学报():.韩坤陈津辉李桂虎等.单相 整流器两矢量有限集模型预测电流控制.电源学报():.吴东铭李柯宇谢泽亚等.一种车用恒流/恒压模式的四开关 变换器控制策略研究.微电子学():.尹强庞浩甘江华等.超级电容器分段充电控制策略研究.控制与信息技术():.责任编辑:郑玥雷第 期 周静雯等:基于 技术的电动汽车充放电系统拓扑结构及控制策略研究