李麗娜，劉宏君，張兆云

(1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518033； 2. 長園深瑞繼保自動化有限公司，廣東 深圳 518057；3. 東莞理工學(xué)院，廣東 東莞 523808)

0 引 言

由于能源危機和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，大力發(fā)展可再生能源和電動汽車技術(shù)成為節(jié)能減排的重要舉措[1-2]。隨著國內(nèi)外電動汽車技術(shù)的快速發(fā)展，電動汽車的占常規(guī)汽車比例不斷提升[3-4]。電動汽車內(nèi)部含有大量的蓄電池組，相當(dāng)于移動儲能系統(tǒng)，同時蓄電池具有能量雙向流動特性，既可以作為負載，又可以作為電源，因此基于這一特點可以通過對所接入的大規(guī)模電動汽車進行有效的控制,不僅能夠減小靜態(tài)儲能配置容量，同時能夠為電網(wǎng)提供輔助服務(wù)，因此電動汽車移動儲能參與電網(wǎng)互動已經(jīng)得到了廣泛關(guān)注[5-7]。

電動汽車參與電網(wǎng)互動策略可以應(yīng)用于大電網(wǎng)，也可以用于小型微電網(wǎng)，文章主要關(guān)注電動汽車參與微電網(wǎng)互動技術(shù)[8]。早期關(guān)于電動汽車參與微電網(wǎng)運行控制、優(yōu)化以及調(diào)度策略主要集中交流微電網(wǎng)[9-11]。近年來，由于直流微電網(wǎng)存在能量轉(zhuǎn)換次數(shù)少、效率高、控制結(jié)構(gòu)簡單，并且易于光伏發(fā)電單元和儲能單元接入等優(yōu)勢得到了迅速發(fā)展[12-13]。針對電動汽車參與直流微電網(wǎng)互動協(xié)調(diào)控制策略這一問題，文獻[14]提出了一種電動汽車參與直流微電網(wǎng)的充電優(yōu)化控制策略，根據(jù)不同的應(yīng)用場合，制定了含電動汽車充電需求的微電網(wǎng)能量管理優(yōu)化策略，與常規(guī)充電相比提高了光伏利用率，同時降低了電動汽車充電和電力系統(tǒng)高峰負荷影響。文獻[15]提出了含電動汽車無線充電站的光/儲直流微電網(wǎng)分層控制策略，考慮了蓄電池充放電、光伏發(fā)電單元運行以及無線傳輸工作特性，給出了本地層和上層控制策略，所提出的策略能夠提升無線充電效率。

根據(jù)上述研究內(nèi)容可以看出，目前電動汽車參與直流微電網(wǎng)策略主要集中于電動汽車充放電運行的優(yōu)化，而對于電動汽車參與直流微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運行控制研究較少。針對這一問題，提出了一種電動汽車參與直流微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制方法。建立了各個接口單元的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)并網(wǎng)運行和孤島運行的運行目標(biāo)制定了并網(wǎng)接口裝置、光伏發(fā)電單元以及電動汽車的協(xié)調(diào)控制方法，最后通過仿真結(jié)果驗證了所提出方法的可行性和有效性。

1 集成電動汽車的直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

集成電動汽車的直流微電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 集成電動汽車的直流微電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of DC micro-grid with integrated electric vehicle

直流網(wǎng)絡(luò)通過電壓源型并網(wǎng)變換器與交流電網(wǎng)連接實現(xiàn)能量雙向互動，可以運行在并網(wǎng)和孤島兩種模式。直流網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部含有光伏發(fā)電單元、儲能單元、電動汽車以及多種類型負載。由于光伏組件輸出電壓較低，因此光伏發(fā)電單元通常由光伏電池組件和升壓DC/DC變換器構(gòu)成；儲能單元和電動汽車通過雙向DC/DC變換器接入直流母線，同時直流微電網(wǎng)中集成了大量的重要和非重要直流負載。電動汽車內(nèi)部簡化結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 電動汽車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Internal structure block diagram of electric vehicle

根據(jù)圖2，其內(nèi)部含有蓄電池組、雙向DC/DC變換器、DC/AC逆變器和電機等，左側(cè)DC/DC變換器接入直流母線，通過控制DC/DC可以對電動汽車內(nèi)部蓄電池組進行能量管理。在電網(wǎng)能量過剩期間可以通過電動汽車將多余能量進行存儲；在電網(wǎng)能量不足時，電動汽車能夠釋放能量回饋為電網(wǎng)提供輔助服務(wù)，實現(xiàn)電動汽車和微電網(wǎng)之間有效互動。

2 集成電動汽車的直流微電網(wǎng)數(shù)學(xué)模型

2.1 光伏發(fā)電單元的數(shù)學(xué)模型

光伏發(fā)電單元由光伏電池和升壓型DC/DC變換器構(gòu)成，其典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 光伏發(fā)電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)Fig.3 Topology of photovoltaic power generation system

根據(jù)圖3所示，下面分別對光伏電池和DC/DC變換器進行建模分析。光伏電池存在多種數(shù)學(xué)模型，包括單二極管模型、雙二極管模型以及工程數(shù)學(xué)模型等[16-17]。文中采用工程數(shù)學(xué)模型，其可以表示為：

(1)

(2)

ΔU=-bΔT-RsΔI

(3)

(4)

(5)

ΔT=Tc-Tref

(6)

式中Iv為光伏電池電流；Isc和Uoc為光伏電池的短路電流和開路電壓；Um和Im分別光伏電池最大功率點的峰值電壓和峰值電流；a和b分別為參考光照強度下電流和電壓變化溫度系數(shù)；ΔIv為由溫度和光照強度引起的電流變化量；ΔT為溫度的變化量；Tref為參考溫度；Sref為參考光照強度。

根據(jù)圖3中升壓DC/DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)，在建模過程中考慮開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)閉合時，開關(guān)函數(shù)d=1；當(dāng)開關(guān)斷開時，開關(guān)函數(shù)d=0，整理后得到：

(7)

(8)

式中upv為光伏組件輸出電壓；Lv為濾波電感；Cpv為輸入濾波電容；Cdc為輸出濾波電容；upv為濾波電感電流；io為輸出電流；udc為直流母線電壓。

2.2 電動汽車的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)圖2所示，在此不考慮電動汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的電機調(diào)速部分，因此電動汽車可以等效為蓄電池組和雙向DC/DC變換器，如圖4所示。

圖4 電動汽車的等效電路Fig.4 Equivalent circuit of electric vehicle

在電動汽車動力電池的發(fā)展中，目前應(yīng)用在電動汽車上的電池存在多種類型，根據(jù)各方面的性能比較，鋰電池性能較好[4]，因此在此考慮電動汽車選取鋰電池，鋰電池的放電模型和充電模型可以分別表示為[18]：

(9)

(10)

式中E0為電壓常數(shù);K為極化常數(shù)；Q為蓄電池最大容量；i*為低頻動態(tài)電流；it為可提取容量；i為蓄電池電流；A為指數(shù)電壓；B為指數(shù)容量。

蓄電池的荷電狀態(tài)可以表示為：

(11)

式中SOC為荷電狀態(tài)。

2.3 并網(wǎng)接口裝置的數(shù)學(xué)模型

并網(wǎng)接口裝置采用三相兩電平電壓源型并網(wǎng)變換器，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 并網(wǎng)接口裝置框圖Fig.5 Block diagram of grid connected interface device

根據(jù)圖5所示，為了便于控制，以d軸電壓進行定向能夠得到dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

(12)

式中Lg和Rg為濾波電感和等效電阻；id和iq分別電網(wǎng)電流的d軸和q軸分量；vd和vq分別為變換器端電壓的d軸和q軸分量；ud和uq分別為電網(wǎng)電壓的d軸和q軸分量；ω為基波角頻率。

3 電動汽車參與微電網(wǎng)互動控制策略

根據(jù)前面分析可知，當(dāng)電動汽車接入直流微電網(wǎng)時能夠?qū)⑵涞刃橐苿觾δ芟到y(tǒng)，因此電動汽車的靈活接入可以降低靜態(tài)儲能配置的容量需求，減少整個系統(tǒng)的運營和投資成本。為了便于分析電動汽車移動儲能系統(tǒng)參與直流微電網(wǎng)互動控制策略，在控制策略研究中不考慮靜態(tài)儲能裝置。根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)主要可以分為并網(wǎng)運行模式和孤島運行模式，下面分別對其進行分析。

3.1 并網(wǎng)運行模式

在并網(wǎng)運行模式中，并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)閉合，直流微電網(wǎng)中的直流母線電壓由并網(wǎng)接口裝置進行控制，為了最大化利用太陽能進行并網(wǎng)發(fā)電，此時光伏發(fā)電單元運行在最大功率跟蹤模式，多個電動汽車同時接入直流母線工作在充放電模式。在并網(wǎng)模式運行過程中，主要利用電動汽車移動儲能系統(tǒng)實現(xiàn)電力系統(tǒng)削峰填谷。因此下面分別對兩種情況進行分析；

(1)當(dāng)外部負荷處于峰值時段時，電力系統(tǒng)供能需求增加，對于直流微電網(wǎng)，當(dāng)光伏輸出功率大于負載功率時，此時多余的功率將全部傳輸給電網(wǎng)；當(dāng)光伏輸出功率小于負載功率時，不足的功率將由電動汽車提供，并且在兩種情況下電動汽車移動儲能將會以SOC比例進行放電工作，電動汽車輸出功率與SOC比例成正相關(guān)，當(dāng)SOC處于下限時，其處于待機狀態(tài)；

(2)當(dāng)外部負荷處于谷值時段時，電力系統(tǒng)供能需求減少，此時以快速對多組電動汽車進行充電為主的運行調(diào)控方式。對于直流微電網(wǎng)，當(dāng)光伏輸出功率大于負載功率時，此時多余的功率全部對電動汽車進行充電，且不足的功率由電網(wǎng)供給。當(dāng)光伏輸出功率小于負載功率時，此時負荷不足的功率和電動汽車充電功率全部由電網(wǎng)供給。

為了實現(xiàn)并網(wǎng)運行模式下的協(xié)調(diào)控制策略，下面分別對各個單元進行分析。在并網(wǎng)運行時，并網(wǎng)變流器采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制，其主要控制目標(biāo)是維持直流母線電壓穩(wěn)定，其控制框圖如圖6所示。根據(jù)圖6首先要采集實際直流母線電壓，然后將其與直流電壓參考值相減得到直流電壓誤差信號，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到d軸電流內(nèi)環(huán)指令，為了實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行，設(shè)置q軸電流指令為0，然后進行電流內(nèi)環(huán)控制，將調(diào)節(jié)器的輸出分別與解耦項和前饋項疊加后得到調(diào)制信號，最終通過SPWM調(diào)制得到驅(qū)動脈沖。

圖6 并網(wǎng)接口變換器的控制框圖Fig.6 Control block diagram of grid-connected converter

對于光伏發(fā)電系統(tǒng)，控制策略如圖7所示。

圖7 光伏接口變換器的控制框圖Fig.7 Control block diagram of photovoltaic interface converter

為了實現(xiàn)最大功率跟蹤控制，在此采用擾動觀察法，分別采集光伏電池組件的輸出電壓和輸出電流，將其送入擾動觀察法MPPT模塊得到電壓參考值，然后進行電壓閉環(huán)控制得到占空比信號，將占空比送入PWM調(diào)制模塊得到開關(guān)器件的驅(qū)動信號。

對于電動汽車移動儲能系統(tǒng)，其詳細控制框圖如圖8所示。首先采集蓄電池SOC、端電壓以及功率指令送入能量管理系統(tǒng)(Energy Management System，EMS)，進而求得輸出電流指令，然后通過電流閉環(huán)控制得到占空比信號，最后將其送入PWM調(diào)制模塊得到變換器的驅(qū)動信號。

圖8 電動汽車接口變換器的控制框圖Fig.8 Control block diagram of electric vehicle interface converter

3.2 孤島運行模式

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短時故障時，整個系統(tǒng)失去了外部電網(wǎng)的頻率和電壓支撐作用，為了避免過流對并網(wǎng)接口裝置造成損害，將脈沖封鎖，停止工作，等待電網(wǎng)恢復(fù)。此時為了保證直流母線上所接入重要負荷不間斷供電，需要切換電動汽車移動儲能的控制策略，由于存在多臺電動汽車，因此為了實現(xiàn)即插即用，在此采用直流下垂控制策略，其控制框圖如圖9所示。

圖9 孤島運行模式下電動汽車的控制框圖Fig.9 Control block diagram of electric vehicle under islanding operation mode

根據(jù)圖9所示，在此采用直流電流-電壓下垂控制，采集直流電流并乘以下垂系數(shù)得到電壓變化量，并將該變化量疊加至電壓外環(huán)參考值上，然后進行電壓外環(huán)控制得到電流內(nèi)環(huán)指令，將電流內(nèi)環(huán)指令與實際值相減經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到占空比信號，再經(jīng)過PWM載波調(diào)制模塊得到驅(qū)動脈沖。

4 仿真驗證

為了驗證所提出的電動汽車參與直流微電網(wǎng)互動協(xié)調(diào)控制策略的有效性，采用Matlab/Simulink仿真軟件搭建小規(guī)模仿真試驗平臺。設(shè)定系統(tǒng)直流母線電壓為800 V，電網(wǎng)相電壓峰值為380 V/50 Hz，選取兩臺純電動汽車，其額定充電功率為15 kW，設(shè)置SOC上下限分別為90%和20%，光伏發(fā)電系統(tǒng)額定功率為10 kW，設(shè)置交流負荷為30 kW，直流負荷為10 kW，假設(shè)交流負荷大于10 kW為峰值階段，反之假設(shè)外部負荷為谷值階段。

4.1 并網(wǎng)運行模式

首先對并網(wǎng)運行模式進行仿真研究，仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 并網(wǎng)運行模式下的仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of grid-connected operation mode

初始狀態(tài)設(shè)置光照強度為800 W/m2，交流負荷為30 kW，直流負荷為6 kW，電動汽車1蓄電池SOC初始狀態(tài)為80%，電動汽車2蓄電池SOC初始狀態(tài)為60%，此時根據(jù)上面假設(shè)可知負荷處于峰值階段，此時直流母線電壓由并網(wǎng)接口裝置進行控制穩(wěn)定在800 V，由于處于峰值階段因此根據(jù)協(xié)調(diào)控制策略可知蓄電池根據(jù)SOC比例工作在放電模式，如圖10(d)所示。在0.5 s時光照強度變化至1 000 W/m2，光伏功率增加；在1.0 s時光照強度變化至700 W/m2，光伏功率減小，同時直流負荷減小至4 kW；在1.2 s時光照強度變化至900 W/m2，光伏功率增加，同時交流負載由30 kW減小至20 kW，可以看出在不同時間段內(nèi)，光伏發(fā)電系統(tǒng)都能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率跟蹤運行，而直流電壓在擾動下可以穩(wěn)定運行。在1.5 s時，交流負載由20 kW減小至10 kW，此時外部負荷進入谷值階段，光照強度變化至1 000 W/m2，此時為了減小電動充放電轉(zhuǎn)換對直流電壓沖擊，控制電動汽車逐個切換，電動汽車1在1.6 s時先由放電運行切換至功率為15 kW的恒功率運行，然后電動汽車2在1.8 s時再切換至功率為15 kW的恒功率運行，兩組蓄電池SOC逐漸增加，直流電壓在潮流翻轉(zhuǎn)的情況下抗擾動性能良好，仿真結(jié)果驗證了有效性。

4.2 孤島運行模式

下面對孤島運行模式進行仿真研究，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 孤島運行模式下的仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of islanding operation mode

初始狀態(tài)設(shè)置光照強度為1 000 W/m2，交流負荷為30 kW，直流負荷為6 kW，兩臺電動汽車蓄電池SOC初始狀態(tài)均為80%，在起始階段工作在并網(wǎng)模式，在1 s時切換至孤島模式，此時并網(wǎng)接口裝置停機，兩組電動汽車對其進行供電，并且控制直流電壓，可以從圖中看出直流電壓穩(wěn)定在允許運行范圍內(nèi)，兩組電動汽車均分直流負載的功率，在1.2 s時，光照強度變?yōu)?00 W/m2，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率下降，此時從圖中看出電動汽車輸出功率增加，直流電壓下降并且穩(wěn)定。在2 s時，由孤島切換至并網(wǎng)狀態(tài)，并網(wǎng)接口裝置控制直流電壓并穩(wěn)定在800 V，電動汽車切換至負荷峰值狀態(tài)，并工作在放電模式。

5 結(jié)束語

針對電動汽車參與微電網(wǎng)輔助服務(wù)問題，提出了一種電動汽車移動儲能系統(tǒng)參與直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制方法，建立了各個接口單元的數(shù)學(xué)模型，針對并網(wǎng)模式和孤島模式的不同控制目標(biāo)制定了并網(wǎng)接口裝置、光伏發(fā)電單元以及電動汽車移動儲能系統(tǒng)的控制策略，并對協(xié)調(diào)控制策略進行了仿真研究。仿真結(jié)果表明在并網(wǎng)運行模式負荷峰值階段能夠根據(jù)電動汽車移動儲能單元SOC比例進行放電運行，最大限度對電網(wǎng)進行支援；在并網(wǎng)運行模式負荷谷值階段能夠?qū)﹄妱悠囘M行快速恒功率充電，最大限度的利用電網(wǎng)進行供電，平抑負荷曲線。在孤島運行模式下，當(dāng)電網(wǎng)遭受故障或者計劃性孤島情況，通過切換電動汽車移動儲能的控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)對直流母線電壓穩(wěn)定控制，且實現(xiàn)對直流負荷的功率均分，同時所提出的算法在并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島、孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)切換過程中對直流母線電壓沖擊很小，仿真結(jié)果驗證了所提出方法的可行性和有效性。