楊光輝，葉圣雙，錢祥忠

(溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州 325035)

電動(dòng)汽車充放電控制器的設(shè)計(jì)與仿真研究

楊光輝，葉圣雙，錢祥忠?

(溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州 325035)

針對(duì)目前常用的充放電機(jī)功率因數(shù)低和諧波污染大的問(wèn)題，分析并研究了基于三相AC/DC整流器和雙DC/DC變流器的充放電系統(tǒng).三相AC/DC整流器利用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了其與電網(wǎng)之間的解耦控制；DC/DC變換器在充電模式下采用恒流恒壓控制，在放電模式下采用電流負(fù)反饋控制，相應(yīng)地實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車充電時(shí)的多模式控制和放電時(shí)的功率因素調(diào)節(jié).最后構(gòu)建了仿真模型，在 MATLAB/SIMULINK下進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，結(jié)果表明，利用所提出的方法充放電能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，可以達(dá)到相應(yīng)的充放電指標(biāo)要求，并能有效地消除諧波污染.

電動(dòng)汽車；V2G；充放電；MATLAB/SIMULINK

全球能源危機(jī)和環(huán)境污染對(duì)電力系統(tǒng)發(fā)展提出了更高的要求，在此背景下，智能電網(wǎng)技術(shù)成為了各國(guó)電力行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)之一[1-3].與此同時(shí)，電動(dòng)汽車作為一種綠色交通工具，其發(fā)展已成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[4].

針對(duì)如何推動(dòng)電動(dòng)汽車發(fā)展的同時(shí)又能解決不斷增長(zhǎng)的電動(dòng)汽車的用電需求，以及如何利用電動(dòng)汽車作為移動(dòng)的分布式儲(chǔ)能單元來(lái)解決日常的電力峰谷差的問(wèn)題，人們提出了電網(wǎng)和電動(dòng)汽車之間能量互動(dòng)的V2G技術(shù)[5].電動(dòng)汽車作為能夠移動(dòng)的儲(chǔ)能單元已成為智能電網(wǎng)的重要組成部分，而充放電機(jī)則是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與電動(dòng)汽車之間能量交互的關(guān)鍵接口[6-15].

為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)到電動(dòng)汽車之間的能量轉(zhuǎn)換，并使其具有較高的功率因數(shù)和較低的諧波污染，本文對(duì)充放電系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)和控制方法進(jìn)行了研究，提出了在充電時(shí)采用多模式控制和放電時(shí)采用電流負(fù)反饋控制的新的控制策略，仿真結(jié)果表明，利用所提出的方法可達(dá)到充放電的指標(biāo)要求，滿足電網(wǎng)與電動(dòng)汽車之間的能量互動(dòng).

1 電動(dòng)汽車充放電系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)后，要實(shí)現(xiàn)充電和放電的功能.主電路結(jié)構(gòu)由交流側(cè)濾波電路、三相AC/DC整流器、雙向DC/DC變換器、直流側(cè)濾波電路和控制電路等主要部分構(gòu)成，如圖1所示.

該系統(tǒng)在功能上主要分為三相AC/DC整流器的整流和逆變以及DC/DC變換器的升降壓斬波兩大部分.當(dāng)系統(tǒng)工作于充電模式時(shí)，三相AC/DC整流器從電網(wǎng)接收能量進(jìn)行整流后給后級(jí)變換器提供穩(wěn)定的直流母線電壓，雙向DC/DC變換器則工作在降壓狀態(tài)下給電動(dòng)汽車電池充電.當(dāng)系統(tǒng)工作于放電模式時(shí)，雙向DC/DC變換器從電動(dòng)汽車電池接收能量并工作在升壓狀態(tài)下給前級(jí)整流器提供直流母線電壓，此時(shí)的三相AC/DC整流器則工作于逆變狀態(tài)向電網(wǎng)返回能量.網(wǎng)側(cè)和電池側(cè)加入的濾波環(huán)節(jié)可提高功率因數(shù)，抑制諧波污染，中間電容Cd用于穩(wěn)壓和濾波.

圖1 主電路結(jié)構(gòu)Fig 1 Main Circuit Structure

1.1 三相AC/DC整流器控制

三相 AC/DC整流器前級(jí)與電網(wǎng)相連，后級(jí)通過(guò)電容 Cd與雙向 DC/DC變換器相連，三相AC/DC整流器用于完成與電網(wǎng)的能量互動(dòng).

對(duì)三相AC/DC整流器的控制要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定直流側(cè)電壓不變和功率因數(shù)校正，采用三相AC/DC整流器構(gòu)建基于dq坐標(biāo)的電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制，解耦后的調(diào)節(jié)器方程如下式所示：

其中，Vd和Vq為電壓給定值，Kdp和Kdi為d軸PI調(diào)節(jié)器的系數(shù)，Kqp和Kqi為q軸PI調(diào)節(jié)器的系數(shù)，idref和iqref分別為d軸和q軸電流參考值.電壓外環(huán)控制可以穩(wěn)定直流母線電壓，按照電壓外環(huán)輸出的電流指令信號(hào)對(duì)電流進(jìn)行電流內(nèi)環(huán)控制，再利用SVPWM波形，產(chǎn)生觸發(fā)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通脈沖，其控制框圖如圖2所示.電網(wǎng)中的電流ia、ib、ic經(jīng) dq變換為id和iq；電壓測(cè)量值Vdc與參考值Vdref比較產(chǎn)生差值通過(guò)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流給定值idref，為實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1，需將iqref的參考值設(shè)為0，將變換后的id和iq分別與給定值進(jìn)行比較再通過(guò)PI調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器前饋解耦環(huán)節(jié)，利用（1）式得出所需電壓指令，利用SVPWM產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)充放電的要求.圖2中id和iq為變換后的d軸和q軸電流，idref和iqref分別為d軸和q軸電流給定，Vdc和Vref分別為電壓測(cè)量值和電壓給定值，ud和uq為d軸和q軸電壓分量，ucd和ucq為輸出電壓指令.

1.2 雙向DC/DC變換器控制

雙向DC/DC變換器前級(jí)通過(guò)電容Cd與三相AC/DC整流器相連，后級(jí)通過(guò)濾波電感和電容L1、C1與電動(dòng)汽車上的電池相連.

圖2 三相AC/DC整流器控制策略Fig 2 Control Strategy of Three Phase AC/DC Rectifier

雙向DC/DC變換器在充放電時(shí)分別工作于Buck和Boost兩種運(yùn)行模式.在給電動(dòng)汽車充電時(shí)，S8保持關(guān)斷，控制S7工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，此運(yùn)行模式為Buck降壓模式，當(dāng)電動(dòng)汽車向電網(wǎng)放電時(shí)，S7保持關(guān)斷，控制S8工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，此運(yùn)行模式為Boost升壓模式[8]；前者負(fù)責(zé)將電壓較高的直流母線電壓變?yōu)殡妱?dòng)汽車充電所需的直流電壓，后者負(fù)責(zé)將較低的電池電壓變?yōu)檩^高的直流母線電壓，并為前級(jí)三相AC/DC整流器提供能量.

圖3為雙向DC/DC變換器控制框圖，圖中u和i為測(cè)量的電壓和電流，uref為電壓給定值，iPI和iC分別為充電和放電時(shí)的電流給定值.充電時(shí)采取先恒流后恒壓方式，開(kāi)始充電時(shí)，由于電池兩端電壓 U相對(duì)較低，還不能達(dá)到所設(shè)定的電壓值 uref，此時(shí)外環(huán)電壓通過(guò)限幅會(huì)輸出飽和，所輸出的值即為電流內(nèi)環(huán)的給定值 iref，將此值與測(cè)量的電流值i進(jìn)行比較后，再通過(guò)PI調(diào)節(jié)器的作用輸出PWM波對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行恒流充電；隨著充電時(shí)間的推移，電動(dòng)汽車電池兩端電壓 U會(huì)不斷升高，當(dāng)電動(dòng)汽車電池的電壓值到達(dá)所給定的電壓uref后，略有超調(diào)，就會(huì)退出飽和。最后電壓外環(huán)的輸出值用來(lái)作為電流內(nèi)環(huán)的給定值，實(shí)現(xiàn)從恒流充電到恒壓充電的模式轉(zhuǎn)換，符合電動(dòng)汽車的先恒流再恒壓的充電模式.

圖3 雙向DC/DC變換器控制策略Fig 3 Control Strategy of Bidirectional DC/DC Convertor

放電時(shí)則采取電流負(fù)反饋的策略進(jìn)行控制，根據(jù)系統(tǒng)情況設(shè)定放電參考電流iref，通過(guò)將放電時(shí)電流的測(cè)量值與參考值進(jìn)行比較，再經(jīng)過(guò) PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)產(chǎn)生控制信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷來(lái)控制放電電流的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)恒流放電.

2 主電路參數(shù)分析

網(wǎng)側(cè)電感的大小值決定著諧波污染和穩(wěn)態(tài)輸入電流，其取值應(yīng)滿足[9-10]：

中間直流母線電容 Cd的大小決定直流紋波的大小，同時(shí)能夠穩(wěn)定直流母線電壓，并起到緩沖電網(wǎng)與電動(dòng)汽車之間的能量的作用，工程上常以滿足電壓的紋波指標(biāo)和瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，所以需滿足[11-13]：

直流側(cè)電感工作在充放電兩種模式下，需滿足不同的儲(chǔ)能要求，常以臨界連續(xù)條件和紋波指標(biāo)來(lái)確定，應(yīng)滿足[14-15]：

3 仿真分析

為驗(yàn)證本文所提出的方法的可行性，在MATLAB/SIMULINK下搭建仿真模型進(jìn)行分析，具體仿真參數(shù)為：網(wǎng)側(cè)電感7 mH，中間母線電容2000 μF，直流側(cè)電感20 mH，直流側(cè)電容3200 μF，網(wǎng)側(cè)電阻0.1 Ω，開(kāi)關(guān)頻率20 kHz；電動(dòng)汽車電池模型采用系統(tǒng)自帶模型，標(biāo)稱電壓330 V，額定容量60 Ah直流母線電壓600 V.仿真模型如圖4所示.

圖4 仿真模型圖Fig 4 Simulation Model Drawing

3.1 充電模式仿真

設(shè)電池模型初始荷電狀態(tài)為40%，開(kāi)始階段采用恒流充電模式，當(dāng)一段時(shí)間后SOC達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)轉(zhuǎn)為恒壓充電.仿真結(jié)果分別如圖5、圖6、圖7、圖8所示.圖5為充電狀態(tài)下a相電網(wǎng)電壓電流波形，由圖可看出電網(wǎng)電流為正弦波且和電壓同相位；圖6為充電時(shí)的直流母線電壓，經(jīng)過(guò)短暫的0.15s調(diào)節(jié)整定后達(dá)到穩(wěn)定，電壓達(dá)到所要求的600 V，為后級(jí)DC/DC變換器提供穩(wěn)定的直流電壓；圖7為恒流充電時(shí)充電電流，大致維持在45A恒定不變，隨著充電的進(jìn)行，當(dāng)SOC達(dá)到設(shè)定值時(shí)，由恒流充電變?yōu)楹銐撼潆?；圖8為恒壓充電時(shí)充電電壓，因?yàn)橛幸粋€(gè)恒流到恒壓充電的切換，所以在0–0.13s內(nèi)電壓有一個(gè)短暫上升的過(guò)程，轉(zhuǎn)換為恒壓充電后電壓保持不變，以370 V大小為電池充電.

圖5 充電時(shí)電網(wǎng)電壓和電流波形Fig 5 Network Voltage and Current Waveforms in Charge Mode

圖6 充電時(shí)直流母線電壓Fig 6 DC Bus Voltage at Charge

圖7 電池恒流充電時(shí)充電電流Fig 7 Battery Constant Charge Current in Charge Mode

圖8 電池恒壓充電時(shí)充電電壓Fig 8 Battery Charging Voltage at Constant Voltage

3.2 放電模式仿真

設(shè)電池的初始SOC為90%，進(jìn)行放電模式仿真.仿真結(jié)果分別如圖9、圖10、圖11、圖12所示.由圖9和圖10可看出并網(wǎng)電流輸出經(jīng)過(guò)短暫的振蕩過(guò)程后達(dá)到穩(wěn)定呈正弦方式變化，諧波THD = 1.66%，達(dá)到并網(wǎng)要求，電流波形中的高次諧波是由于開(kāi)始時(shí)較大的電流波動(dòng)引起的.圖11表示放電時(shí)直流母線電壓隨時(shí)間的變化，顯示經(jīng)過(guò)短暫的電壓上升時(shí)間，逐漸達(dá)到600V，滿足了要求.圖12為放電模式下電池放電時(shí)的電流波形圖，顯示放電電流經(jīng)過(guò)短暫的振蕩后逐漸上升，在0.3 s后達(dá)到穩(wěn)定，以恒定的電流值放電.

圖9 放電模式下并網(wǎng)電流波形Fig 9 Grid Connected Current Waveform in Discharge Mode

圖10 并網(wǎng)電流諧波分析Fig 10 Harmonic Analysis of Grid Connected Current

圖11 放電時(shí)直流母線電壓Fig 11 DC Bus Voltage at Discharge

圖12 放電模式下電池放電時(shí)電流Fig 12 Battery Discharge Current in Discharge

4 結(jié) 論

本文提出的電動(dòng)汽車充放電實(shí)現(xiàn)方法，以相應(yīng)的主電路結(jié)構(gòu)并結(jié)合相應(yīng)的控制策略成功實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車的充放電功能.通過(guò)MATLAB/SIMULINK搭建了系統(tǒng)仿真模型，對(duì)充電和放電兩種模式分別進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明了本文所提出的方法是可行的，能夠完成對(duì)電動(dòng)汽車的恒壓恒流充電以及并網(wǎng)時(shí)的恒流放電，具有高功率因素和比較低的諧波污染，可以有效實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車和電網(wǎng)之間的能量互動(dòng).

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（編輯：王一芳）

On Design and Simulation for Charging and Discharging Controller of Electric Vehicle

YANG Guanghui, YE Shengshuang, QIAN Xiangzhong
(College of Physics and Electronic Information Engineering, Wenzhou University,Wenzhou, China 325035)

This paper probes into the issue of lower power factor and larger harmonic pollution to the commonly-used recharge-discharge machines. The charging and discharging system based on three-phase AC/DC rectifier and dual DC/DC converter is analyzed and studied as well. The three-phase AC/DC rectifier utilized by the double-loop control of the voltage outer loop and the current inner loop to realize the decoupling control connected with the power grid. DC/DC converter makes use of constant current and constant voltage control in the charging mode and current negative feedback control in the discharge mode,which accordingly realizes the multi-mode control when the electric vehicle is in charge and the power-factor adjustment when the electric vehicle is in discharge. The simulation model is constructed finally and the system simulation is implemented under the MATLAB/SIMULINK. The results show that the utilization of the proposed charge-discharge method can achieve the bi-direction flow of energy, and meanwhile achieve the corresponding charge and discharge criteria requirement and effectively eliminate the harmonic pollution.

Electric Vehicle; V2G; Charge-discharge; MATLAB/SIMULINK

TM727

A

1674-3563(2017)04-0046-07

10.3875/j.issn.1674-3563.2017.04.007 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

2016-10-24

溫州大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)(DC2016048)

楊光輝(1996- )，男，河南周口人，研究方向：電力電子技術(shù).? 通訊作者，xzhqian@263.net