仇成群，夏玉寧，尹金章，胡天云

（1.鹽城師范學(xué)院 新能源與電子工程學(xué)院，江蘇 鹽城224007；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司鹽城供電分公司，江蘇 鹽城224002）

0 引言

電動(dòng)汽車作為新型交通工具，相比于傳統(tǒng)汽車，具有緩解能源危機(jī)、減少環(huán)境污染等巨大優(yōu)勢(shì)。隨著電動(dòng)車數(shù)量的不斷增加，電動(dòng)車充電對(duì)電網(wǎng)的影響也在擴(kuò)大，如引發(fā)諧波、供電平衡等問題，并且加大了系統(tǒng)運(yùn)行成本和投資成本。因此，電動(dòng)汽車有序充電具有重要意義，這使得電動(dòng)汽車有序充電控制技術(shù)和電動(dòng)汽車充電引導(dǎo)策略研究日益受到廣泛關(guān)注[1]。

研究提出基于多智能體的雙向充電的電動(dòng)汽車充電樁，該充電樁由三相半橋電壓型PWM（Pulse Width Modulation）整流器和DC/DC變換器（轉(zhuǎn)變輸入電流后有效輸出固定電流的電流轉(zhuǎn)換器）組成。無論是充電過程還是放電過程，電網(wǎng)側(cè)的電流均為正弦[2]。不同的是，充電時(shí)，電流與電壓的相位相同，而在放電時(shí)，電流與電壓的相位相反，即相位差。當(dāng)電網(wǎng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，可以通過充電樁將能量從電動(dòng)車反饋給電網(wǎng)，以此提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性[3]。

1 多智能體的雙向充電方式

1.1 雙向PWM整流器

三相半橋電壓型PWM整流器是一種雙向的PWM整流器，電網(wǎng)側(cè)的電壓和電流波形都是正弦波，具備能量的雙向流動(dòng)的基本條件，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)雙向PWM整流器處于整流狀態(tài)時(shí)，能量由電網(wǎng)側(cè)流向雙向PWM整流器；當(dāng)雙向PWM整流器處于有源逆變狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)汽車蓄電池中的能量會(huì)反饋到電網(wǎng)中，即實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)[3]。

1.2 雙向DC/DC變換器

DC/DC變換器在電動(dòng)汽車上是一種將直流轉(zhuǎn)換為可變直流的裝置，而雙向DC/DC變換器就是DC/DC變換器的雙象限運(yùn)行，采用一種脈沖寬度調(diào)制方式即PWM來控制電動(dòng)汽車充電，通過控制開關(guān)的關(guān)閉和導(dǎo)通得以實(shí)現(xiàn)。DC/DC變換器可以改變電流的方向，而電壓極性不變，所以在汽車充電系統(tǒng)中起到關(guān)鍵作用。并且雙向DC/DC變換器體積小、動(dòng)態(tài)性能好、能量轉(zhuǎn)換效率高。

如圖1所示，當(dāng)開關(guān)S1導(dǎo)通，開關(guān)S2關(guān)閉時(shí)，能量由電網(wǎng)側(cè)流向電動(dòng)汽車的蓄電池，電動(dòng)汽車處于充電狀態(tài)，此時(shí)雙向PWM整流器處于整流狀態(tài)，雙向DC/DC變換器處于降壓時(shí)刻。相反，當(dāng)開關(guān)S1關(guān)閉，而開關(guān)S2導(dǎo)通時(shí)，能量由蓄電池流向電網(wǎng)側(cè)，此時(shí)雙向PWM整流器工作處于有源逆變狀態(tài)，雙向DC/DC變換器處于升壓時(shí)刻[3]。

圖1 充電樁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.3 充電方式

電動(dòng)汽車現(xiàn)有的充電方式為直流充電樁（快充）和交流充電樁（慢充）兩種。慢充的充電效率低、耗時(shí)長(zhǎng)。一般慢充電流大約為15 A，充電的時(shí)間為8 h左右。相較于慢充，快充則用較大的電流在極短時(shí)間內(nèi)給電動(dòng)汽車充電，一般充電電流為150～400 A，充電時(shí)間為15 min～2 h，充電效率非常高，但一般快充會(huì)對(duì)電池的壽命造成一定的影響，所以電動(dòng)汽車充電樁在具有快速充電功能的同時(shí)，還應(yīng)確保充電電流的平滑性，以降低對(duì)電池的損耗。由基爾霍夫電壓定律，由圖1拓樸結(jié)構(gòu)得數(shù)學(xué)模型的表達(dá)式：

式（1）中，Ls是電路中的等效電阻；ia、ib和 ic是電網(wǎng)側(cè)三相交流電流；ua、ub和uc是電網(wǎng)側(cè)的電壓；uad、ubd、ucd分別為 a、b、c 相對(duì)于 d 的電壓；udo為 d 和o中間的電壓。

2 基于MATLAB和多智能體的雙向充電策略

2.1 MATLAB和多智能體簡(jiǎn)介

MATLAB是用于數(shù)據(jù)可視化、分析與計(jì)算的計(jì)算語言。設(shè)計(jì)人員可以在MATLAB中采用多途徑編輯充電控制系統(tǒng)，并可以進(jìn)行算法模擬仿真，以行函數(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能[4]。多智能體系統(tǒng)簡(jiǎn)單來說就是一個(gè)計(jì)算系統(tǒng)，它由多個(gè)交互的智能體組成，可用于解決單層系統(tǒng)難以解決的問題，通常使用函數(shù)，過程和算法等方式來實(shí)現(xiàn)其智能。

2.2 基于MATLAB和多智能體的雙向充電策略

基于多智能體的雙向充電策略的多智能體系統(tǒng)由圖2所示的多智能體體系結(jié)構(gòu)按照?qǐng)D1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建而成，該充電系統(tǒng)是一個(gè)分工合作、分層遞進(jìn)的復(fù)合分布的多智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)可將電力系統(tǒng)分成3個(gè)層次，分別是輸電網(wǎng)絡(luò)層、變壓器以上的配電網(wǎng)絡(luò)層、變壓器以下的用電層[5]。充電時(shí)間可由下式計(jì)算得到：

圖2 多智能體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

充電時(shí)間計(jì)算所需變量定義如表1所示。由式（2）可知，充電時(shí)間受到電量的約束，即用戶出行時(shí)，電動(dòng)汽車的實(shí)際電池電量應(yīng)大于用戶設(shè)定的目標(biāo)值（目標(biāo)值最大為1），考慮到電池過度放電對(duì)其壽命造成消極影響，電動(dòng)汽車在接入電網(wǎng)時(shí)的電量應(yīng)不低于0.25。即

表1 充電時(shí)間計(jì)算所需變量定義

在該策略中，每臺(tái)電動(dòng)汽車在接入充電樁進(jìn)行充電時(shí)，充電需求參數(shù)和配電壓器的負(fù)荷信息將通過蓄電池接入充電樁時(shí)的電量狀態(tài)以及電池實(shí)際容量，最終以電流的形式反饋到電網(wǎng)。接入EV變壓器容量約束條件的變量定義如表2所示。充電時(shí)間如圖3所示。據(jù)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，預(yù)估19：00到次日7：00為充電高峰期，在這個(gè)時(shí)段，基于MATLAB和多智能體的雙向充電策略將會(huì)計(jì)算出每臺(tái)電動(dòng)汽車合理的充電時(shí)間，從而有效減小電網(wǎng)峰谷差。接入電動(dòng)汽車負(fù)載后的變壓器總負(fù)荷應(yīng)小于變壓器的最大負(fù)載功率，即：

表2 接入EV變壓器容量約束條件的變量定義

圖3 充電時(shí)間

基于MATLAB和多智能體的雙向充電流程圖如圖4所示。本文充電策略應(yīng)用MATLAB/Simulink中電力系統(tǒng)Simpower System模塊建立模型，仿真模型中使用了電源、斷路器、變壓器、RLC等部件，進(jìn)行原理圖的繪制及仿真，仿真系統(tǒng)電路圖如圖5所示。分析計(jì)算模型接入系統(tǒng)前后的電壓穩(wěn)定性、三相電壓不平衡度、諧波等指標(biāo)等，結(jié)合實(shí)際情況制定出優(yōu)化的充電策略。應(yīng)用理論分析和MATLAB進(jìn)行模擬仿真，在仿真過程中對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定及時(shí)修改，該文設(shè)計(jì)的充電策略著重解決了電動(dòng)車在雙向充電過程中存在的實(shí)際問題。

圖4 多智能體的雙向充電流程圖

圖5 仿真系統(tǒng)電路圖

表3為單臺(tái)10 kV變壓器接入電動(dòng)汽車充電和整個(gè)35 kV片區(qū)配電網(wǎng)下電動(dòng)汽車充電的疊加分別對(duì)應(yīng)的谷值、峰值和峰谷差。通過仿真結(jié)果表明：在采用多智能體的雙向充電模式能夠較好地有效減小電網(wǎng)峰谷差。

表3 多智能體雙向充電和無序充電模式的結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論

本文針對(duì)電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)后的充電優(yōu)化展開研究，基于多智能體的雙向充電樁具有良好的動(dòng)態(tài)性能。仿真結(jié)果表明，雙向充電模式能夠有效減小電網(wǎng)峰谷差，并且電流平滑性好，對(duì)電動(dòng)汽車的電池?fù)p耗低。