黃帥, 江道灼，谷泓杰，梁一橋，應群民

(浙江大學電氣工程學院, 杭州市 310027)

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多功能電動汽車模塊化充放電系統(tǒng)控制研究

黃帥, 江道灼，谷泓杰，梁一橋，應群民

(浙江大學電氣工程學院, 杭州市 310027)

隨著電動汽車動力電池需求日益擴大，其對電動汽車充電裝置性能與功能的要求也隨之提高，基于此，提出了一種多功能電動汽車模塊化充放電系統(tǒng)。在此基礎上，對由三相橋式AC/DC變換器和電磁隔離型雙有源全橋DC/DC變換器構(gòu)成的充放電模塊的控制策略進行了研究。提出了可以提高充放電模塊能量傳輸效率、功率密度等目標的兩級變換器協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略，分析得出了雙移相控制下消除DC/DC變換器回流功率的條件，并通過仿真模擬動力電池的充放電過程驗證了結(jié)論；在直流母線電壓控制中引入充放電機負載的功率前饋補償來提高動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，最后通過仿真模擬驗證了控制策略的優(yōu)越性。

模塊化充放電系統(tǒng); 雙移相控制; 回流功率; 功率前饋補償

0 引 言

電動汽車作為未來智能電網(wǎng)的分散式儲能單元，可實現(xiàn)電網(wǎng)的峰谷調(diào)節(jié)，延伸電動汽車能源供給環(huán)節(jié)的利益鏈[1]。含若干臺大功率充放電機的電動汽車雙向充電站的功率等級可以達到MW級[2]，在電網(wǎng)電壓支撐、電能緊急備用、峰谷調(diào)節(jié)等方面具有很大的應用前景[3]。

目前滯緩電動汽車普及的主要障礙是電動汽車的續(xù)航以及充電基礎設施的不完善等。傳統(tǒng)的充電機大多采用二極管單向整流充電，功能單一，無法滿足功率雙向傳輸?shù)囊?，且作為電網(wǎng)的非線性負載會引入大量諧波污染。因此，傳統(tǒng)的充電機為了滿足諧波指標，必須增加額外的功率因數(shù)校正(powerfactorcorrection，PFC)和復雜的濾波裝置[4-6]，既增加了成本又降低了裝置的可靠性。為了解決上述問題，國內(nèi)外研究人員對以兩級變換器為基礎的電動汽車雙向充放電機進行了大量研究[7-9]。兩級雙向變換器前一級為三相AC/DC變換器，后一級為雙向DC/DC變換器。其中三相AC/DC變換器的研究已較為成熟，橋式三相電壓型變換器已得到了廣泛應用[10]；對于雙向DC-DC變換器的研究主要集中在其拓撲結(jié)構(gòu)及控制策略2方面，目前雙向DC/DC變換器使用較多的是Buck-Boost斬波電路[11-13]，雖然此類拓撲器件少、控制簡單易實現(xiàn)，但由于難以實現(xiàn)軟開關，自身沒有隔離設計，需要工頻變壓器解決電氣隔離造成的能量密度低等問題，使其難以適應大功率場合[14-15]。雙有源全橋(dual-active-bridge，DAB)DC-DC變換器因其功率密度高、容易實現(xiàn)軟開關等優(yōu)勢越來越受到關注[16]。文獻[17]最先提出了適應大功率密度場合的雙向全橋DC/DC單移相控制。為了解決單移相控制中功率環(huán)流較大的缺陷，文獻[18]提出了一種雙移相DC/DC控制策略，并指出當高頻變壓器變比接近DC/DC變換器高壓側(cè)與低壓側(cè)比值時，可以得到更高的效率。文獻[19]提出的并網(wǎng)電池儲能系統(tǒng)雙向變換器，在DC/DC側(cè)采用基于傳統(tǒng)相移的小信號模型來改善傳統(tǒng)相移中存在的直流側(cè)電壓紋波大的問題，但是沒有解決功率流向不同時，直流母線的電壓偏差問題。文獻[20]制作了6kW用于電池儲能系統(tǒng)的變換器樣機，文中提出的通過調(diào)節(jié)直流母線電壓跟隨電池電壓變化的控制方法雖然能夠提高DC/DC電路的功率傳輸效率，但忽略了由于直流母線電壓改變引起的AC/DC側(cè)損耗增大問題。

雖然針對電動汽車充放電裝置的研究很多，但目前在結(jié)構(gòu)和功能集成方面尚未成熟，隨著電動汽車動力電池需求日益擴大，其對電動汽車充電裝置的性能與功能要求也隨之提高，基于此，本文提出一種電動汽車動力電池的多功能模塊化充放電系統(tǒng)。在此基礎上，對由三相橋式AC/DC變換器和電磁隔離型雙有源全橋DC/DC變換器構(gòu)成的充放電模塊控制技術(shù)進行研究。為了提高充放電機的傳輸效率，增加功率密度，本文將分析雙向全橋DC/DC變換器在雙移相控制下的功率傳輸特性，探討消除功率回流的控制方法。此外，為了提高兩級變換器連接處的直流母線電壓的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，使其不受傳輸功率大小、方向的影響，并實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化無畸變等目標，本文提出兩級變換器協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略，引入負載的功率前饋補償控制來提高直流母線電壓的穩(wěn)定性。最后，通過電池的充放電仿真實驗驗證系統(tǒng)拓撲與控制策略的優(yōu)越性。

1 多功能模塊化充放電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模塊化充放電系統(tǒng)如圖1所示，高壓側(cè)通過三相降壓變壓器與配電網(wǎng)相連，變壓器低壓側(cè)并聯(lián)若干條充放電支路，每條支路包括1個三相配電變壓器和1個充放電模塊。

圖1 模塊化充放電系統(tǒng)

各充放電模塊包括1個較大容量的具有雙向功率傳輸功能的PWMAC/DC變換器、若干個并聯(lián)的小容量具有雙向功率傳輸功能的電磁隔離型DC/DC變換模塊，以及充放電模塊的信息管理系統(tǒng)，如圖2所示。模塊中AC/DC變換器的交流側(cè)與配電變壓器低壓側(cè)連接，直流側(cè)母線上并聯(lián)多個小容量具有雙向功率傳輸功能的DC/DC變換模塊，每個電磁隔離型DC/DC變換模塊的低壓側(cè)均接有一個待充電或放電的標準動力電池組。

圖2 充放電模塊構(gòu)成

充電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)各支路標準動力電池組的狀態(tài)信息和電網(wǎng)調(diào)度中心的功率指令來控制各支路充放電模塊對相應支路的標準動力電池組進行充電或者放電。

通過控制模式的切換，模塊化充放電系統(tǒng)可以作為動力電池組充電系統(tǒng)、發(fā)電廠或靜止無功補償器(staticsynchronouscompensator,STATCOM)運行。充放電機的控制模塊可與調(diào)度中心交互信息，根據(jù)調(diào)度中心的指令對電動汽車電池實施充電或者放電。合理調(diào)控充放電機可以在用電高峰期實現(xiàn)削峰；在電網(wǎng)緊急故障時，作為系統(tǒng)的緊急電能備用；與光伏、風電等可再生發(fā)電系統(tǒng)互聯(lián)時可以降低其出力波動等[21]。此外，AC/DC變換器采用PWM調(diào)制技術(shù)，通過控制方式的切換還可以作為STATCOM運行，提高電力系統(tǒng)的動態(tài)電壓穩(wěn)定性。

2 充放電模塊的控制研究

充放電模塊的直流母線可以并聯(lián)單個或多個DC/DC變換器，由于各DC/DC變換器的控制方法類似，本文以含單個DC/DC變換器的充放電模塊拓撲為例研究其控制方法，拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。前一級AC/DC變換器經(jīng)過電感濾波與配電變壓器低壓側(cè)相連，直流母線并聯(lián)后一級的雙向DC/DC變換器。直流側(cè)電容C1用于穩(wěn)定直流電壓與抑制直流側(cè)諧波電壓。圖3中的DC/DC變換器為電磁隔離型DAB電路，兩側(cè)為對稱全橋結(jié)構(gòu)，Lc為儲能電感與變壓器漏感之和，用于傳遞能量。高頻隔離變壓器變比n的選擇可以使充放電系統(tǒng)匹配不同規(guī)格的電池組。電感L0、電容C2為輸出濾波電感、濾波電容。該電路功率密度高，易于實現(xiàn)軟開關，并且開關損耗小，傳輸效率高，適用于大功率場合。

圖3 含單個DC/DC變換器的充放電模塊拓撲

2.1 三相PWMAC/DC變換器控制

AC/DC變換器的主要作用有2個，一是保持直流母線電壓穩(wěn)定，二是控制網(wǎng)側(cè)電流同電壓、同頻率、同相位，并減小諧波電流分量使之正弦化。三相電壓型AC/DC變換器的主要控制策略有直接電流控制、直接功率控制等[22]，本文采用研究最為成熟的雙閉環(huán)直接電流矢量控制方案，如圖4所示[23-24]。

圖4中電壓外環(huán)的作用是控制AC/DC變換器直流側(cè)電壓，而電流內(nèi)環(huán)的作用是按電壓外環(huán)輸出的電流指令進行電流控制，如實現(xiàn)輸出電流正弦化、控制功率因數(shù)等。具體數(shù)學模型與控制理論推導本文中不再贅述。

圖4 PWM AC/DC變換器控制原理

2.2 電磁隔離型雙有源全橋DC/DC變換器控制

雙向全橋DC/DC變換器電路通常使用移相控制方式，即通過控制2個全橋變換器的驅(qū)動脈沖，在變壓器原邊和副邊產(chǎn)生具有相移的方波信號，通過對方波移相角的調(diào)節(jié)便可以調(diào)節(jié)功率的大小和流向，如圖5所示[25]。在傳統(tǒng)的單移相控制方式下，當輸入輸出電壓不匹配時會有較大的功率環(huán)流和電流應力，進而加速器件老化。本文采用雙移相控制策略，可以有效抑制回流功率，減小由于流經(jīng)變壓器繞組的峰值電流過大引起的磁滯損耗，從而提高充放電機的能量傳輸效率。雙移相即有2個移相比：內(nèi)移相比D1和外移相比D2。D1為H橋?qū)情_關方波觸發(fā)脈沖之間的相移，D2為左右兩邊H橋?qū)_關脈沖之間的相移。

圖5 雙有源全橋DC/DC變換器

圖5中，uh1為左H橋的輸出電壓，uh2為右H橋的輸出折合到uh1側(cè)的電壓，Lc為儲能電感與變壓器漏感之和，iL為流過電感Lc的電流，Udc為直流母線電壓，UB為電池額定電壓，n為高頻變壓器變比。

雙移相控制方式下，uh1、uh2、iL的波形如圖6所示，此時的功率流向為網(wǎng)側(cè)流向電池側(cè)，圖中Ths=1/(2fs)，fs為開關頻率。在功率傳輸過程中，iL與uh1存在相位相反的階段(見圖6陰影部分，圖中Udc≠nUB)，此時傳輸功率為負，即回流功率，本文中用Ph表示?；亓鞴β蕦е鹿β虱h(huán)流，增大器件損耗、電流應力，降低傳輸效率。

(1)

圖6 雙移相控制下的工作波形

由式(1)可得出各個時段內(nèi)電感電流的值：

(1) 0

此時電路的工作波形如圖6所示，各時間點如表1所示。

表1 半個開關周期的時刻對照表

Table1Timetableinhalfswitchingcycle

取k=Udc/(nUB)，可得：

(2)

(3)

(4)

(5)

傳輸功率為

[D2(1-D1-0.5D2)]

(6)

雖然雙移相控制下的回流功率較單移相控制已經(jīng)得到很大幅度的抑制，但在移相比D1、D2的某些組合下還是會有不同程度的回流功率。D1、D2雙變量下的回流功率分析比較復雜，本文旨在尋找能完全消除回流功率的D1、D2組合，故只分析k=Udc/(nUB)=1，且0

(7)

(2) 0

同理可得：

(8)

(9)

(10)

(11)

傳輸功率為

(12)

k=Udc/(nUB)=1，且0

(13)

由上述分析可知，雙移相控制方式下的回流功率在特定條件下是可以完全消除的。雙有源全橋DC/DC變換電路通過合理選擇隔離變壓器變比使得Udc=nUB，并使電路工作在0

為了驗證上文得出的結(jié)論，本文模擬了動力電池的充放電過程。電池充電采用恒流-恒壓充電模式[26]，放電采用恒流放電模式。

圖7 電池的充放電控制策略

仿真時電池模型為鋰電池，額定電壓為80V，容量為250A·h。仿真結(jié)果如圖8所示，圖8(a)為電池的恒流充電過程，充電電流iC=250A，t=0.2s時開始充電，預設SOC為30%，此時的移相比D1=0.31，D2=0.2，由瞬時功率波形可以看出傳輸功率在一個開關周期內(nèi)均為正值，即電路無回流功率；圖8(b)為電池的恒流放電過程，放電電流iD=150A，預設SOC為85%，此時的移相比D1=0.5，D2=-0.2(負號代表圖6中uh2的相位超前uh1)，根據(jù)鋰電池的放電特性，該電池荷電狀態(tài)下，放電過程中電壓下降明顯，使得udc>nuB，因此從瞬時功率波形可以看出有很小的回流功率，在一個開關周期內(nèi)可以忽略不計；圖8(c)為充電時的交流側(cè)A相電流，波形正弦化無畸變。

在雙移相控制下，回流功率得到了大幅度的抑制，這將顯著提高裝置的能量傳輸效率。表2為雙移相控制與單移相控制的回流功率對比，由表2可知，在恒流充電和恒流放電2種工況下，能量傳輸效率分別提高了7%和10.5%。

表2 雙移相控制與單移相控制的回流功率對比

Table2Comparisonofback-flowpowerbetweendoublephase-shiftcontrolandsinglephase-shiftcontrol

圖8 電池充放電仿真結(jié)果

3 直流母線電壓的功率前饋補償

上文提出的模塊化充放電系統(tǒng)采用的聯(lián)絡方式為共直流母線并聯(lián)方式[27]，在大功率的雙向傳輸過程中，直流母線電壓會因為負載大小、功率流向等因素產(chǎn)生不同程度的偏差，尤其是大功率場合，這樣的現(xiàn)象會增大AC/DC側(cè)的功率損耗，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定正常運行。針對此現(xiàn)象，本文提出通過系統(tǒng)的傳輸功率前饋補償控制來提高直流母線電壓的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

本文中AC/DC變換器采取的是直接電流矢量控制，在電流跟蹤良好的情況下，其輸出可以看作隨著負載大小變化的電流源，簡化等效電路如圖9所示。

圖9 簡化的AC/DC側(cè)等效電路

由圖9可得：

(14)

式中RL為系統(tǒng)負載的等效電阻。

負載的改變會影響直流母線電壓的穩(wěn)定，尤其是大功率傳輸場合。為了補償負載不同引起的電壓偏差，本文引入功率前饋補償控制，控制方法如圖10所示，將電路實測的傳輸功率經(jīng)過控制器反饋至電流閉環(huán)控制的輸入端，圖中的負載反饋補償控制器由PI單元和限幅環(huán)節(jié)組成。

圖10 優(yōu)化后的直流電壓控制模型

為了驗證控制策略的有效性，本文在Matlab軟件中搭建了充放電機模型，并進行了相關的仿真試驗，具體參數(shù)見表3。

為了驗證功率前饋補償在不同傳輸功率下都有理想的補償效果，本文分別對充電功率P為20，40，60kW的工況進行仿真。 t=0.3s時，通過閉合開關將待充電的電池負載接入電路中，仿真結(jié)果如圖11所示，其中圖11(a)為不含功率補償?shù)闹绷髂妇€電壓波形，電壓偏差隨傳輸功率的增加而增大；圖11(b)為經(jīng)過功率補償后的直流母線電壓波形，可見在開關閉合瞬間直流母線電壓有小幅的抖動，且抖動的幅值與傳輸功率大小成正相關，電壓在0.01s內(nèi)恢復正常穩(wěn)定，動態(tài)響應快且無穩(wěn)態(tài)誤差。

表3 仿真參數(shù)

Table3Simulationparameters

圖11 不同充電功率下優(yōu)化控制前后的直流電壓波形

充電機在給電池充電和放電2種不同的工況下，對直流母線電壓有不同的影響。模擬電動汽車充放電切換的仿真結(jié)果如圖12所示，充電機在t=0.3s時對電動汽車充電，此時傳輸功率P=20kW；在t=0.35s時，充電功率提高到40kW； t=0.45s時，充電機為電動汽車放電，此時傳輸功率P=-35kW。由仿真對比結(jié)果可以清晰地看出，未采用功率前饋補償控制的電壓在模式切換時有明顯的電壓偏差，且調(diào)節(jié)能力弱；采用補償控制的直流母線電壓在工作模式切換時會有約0.01s的暫態(tài)過程且超調(diào)量小，暫態(tài)過程結(jié)束以后，直流母線穩(wěn)定在預期值。

圖12 充放電時直流電壓優(yōu)化控制對比

4 結(jié) 語

本文提出的多功能模塊化充放電系統(tǒng)可以根據(jù)不同的電網(wǎng)調(diào)度要求安全高效運行。理論分析和仿真驗證表明，充放電模塊的控制可以通過負載功率前饋補償控制、合理選取雙移相控制下的移相比和高頻隔離變壓器等措施實現(xiàn)減小充放電模塊的器件損耗，提高能量傳輸效率、功率密度等運行要求，并實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化。

充放電系統(tǒng)負載的功率前饋補償有效地優(yōu)化了直流母線電壓控制，因此直流母線還可以并聯(lián)多個雙向DC/DC變換器提高傳輸功率，應對不同的功率需求，模擬電池的充放電過程進一步驗證了控制策略的優(yōu)越性。

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(編輯：張小飛)

ControlResearchonMulti-FunctionalEVModuleCharging/DischargingSystem

HUANGShuai,JIANGDaozhuo,GUHongjie,LIANGYiqiao,YINGQunmin

(CollegeofElectricalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

InviewoftheincreaseddemandofEVbatteriesaswellastheperformancerequirementofchargingdevice,amulti-functionalmodular(dis)chargingsystemforEVbatterieswasproposed.Onthisbasis,thecontroltechnologyofthemodulewhichconsistedofathree-phaseAC/DCconverterandanisolateddual-active-bridgeDC/DCconverterwasstudied.Acoordinatedoptimizationcontrolwasproposedfortwo-stagesconverterstoimprovetheenergytransferefficiencyandpowerdensityof(dis)chargingmodule.Then,adetailedanalysiswaspresentedtodiscusstheconditionofeliminatingback-flowpowerofDC/DCconverterunderdoublephase-shiftcontrol,andtheconclusionwasverifiedthroughthesimulationofpowerbattery’scharginganddischargingprocess.Furthermore,anewpowerfeed-forwardcompensationofcharging/dischargingmotorloadwasintroducedinDCbusvoltagecontroltoimproveboththedynamicandstaticperformance.Finally,thesuperiorityoftheproposedcontrolstrategywasverifiedthroughthesimulation.

modular(dis)chargingsystem;doublephase-shiftcontrol;back-flowpower;powerfeed-forwardcompensation

國家自然科學基金項目 (51361130150)。

TM

A

1000-7229(2015)07-0167-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.07.024

2015-04-25

2015-05-27

黃帥(1991)，女，碩士研究生，主要研究方向為電力電子及新能源技術(shù)、電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用;

江道灼(1960)，男，教授，主要研究方向為交直流電力系統(tǒng)運行與控制技術(shù)、電力電子在電力系統(tǒng)應用技術(shù)、電力系統(tǒng)現(xiàn)場智能測控技術(shù)；

谷泓杰(1990)，男，碩士研究生，主要研究方向為電動汽車充電裝置的功率電子變換技術(shù)；

梁一橋(1963)，男，教授，主要研究方向為電力電子在電力系統(tǒng)中的應用技術(shù)；

應群民(1959)，男，副教授，主要研究方向為電力電子及微機控制技術(shù)。

NationalNaturalScienceFoundationofChina(51361130150).