李家旭，張建洲，魏 翔

(1.廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司,廣東 廣州 510010；2. 國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 210000；3. 南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210023)

自21世紀(jì)以來，全球資源日漸緊張，環(huán)境惡化，全球資源需求量不斷加大。傳統(tǒng)汽車以化石能源為動力，不僅消耗大量資源，還會嚴(yán)重污染環(huán)境。各種類型的電動汽車的前景及其對電力系統(tǒng)的潛在影響引發(fā)了大量研究[1-2]。

近年來，我國無論是綜合國力還是科技水平都有了長足的進(jìn)步和發(fā)展，在配電系統(tǒng)中，光伏等直流型分布式電源大量接入也符合目前“碳達(dá)峰”、“碳中和”的總體目標(biāo)，而伴隨著直流特性的源荷日益增多，直流配用電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)也成為目前需要深入研究的關(guān)鍵性技術(shù)[3]。在大量電動汽車與電網(wǎng)[4]相連的公共停車場中，EV電池可為商業(yè)設(shè)施提供備用電源等輔助服務(wù)。文獻(xiàn)[5]提出一種V2G聚合器可有效利用電動汽車的分布式功率以提供電壓支持、頻率調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[6]介紹了控制系統(tǒng)中雙向功率流的動力學(xué)，并說明了如何控制車載充電器向電網(wǎng)提供無功功率。文獻(xiàn)[7]提出了一種可用于EV電池充電的并網(wǎng)住宅光伏系統(tǒng)，該光伏系統(tǒng)可以控制負(fù)載的諧波電流和無功功率，使電網(wǎng)不受負(fù)載和系統(tǒng)的影響。為了滿足上述服務(wù)，必須使用雙向電池充電器來實現(xiàn)電動汽車與主電網(wǎng)之間的能量交換。

在大多數(shù)提出的集成策略中，交直流電力電子轉(zhuǎn)換器充當(dāng)電池充電器，并直接與電網(wǎng)連接。作為一種技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上優(yōu)越的替代方案，尤其是在公共區(qū)域，直流配電系統(tǒng)近期被提出，其中DC-DC轉(zhuǎn)換器充當(dāng)電池充電。直流配電系統(tǒng)可以更有效地承載光伏模塊，并通過一個中央交直流電力電子轉(zhuǎn)換器與電網(wǎng)連接。然而，由于DC-DC變換器的恒功率特性，如果交直流電力電子轉(zhuǎn)換器吸收的功率超過一定值時會變得不穩(wěn)定，這種現(xiàn)象限制了電池充電時可輸入的最大功率，延長了充電時間。文獻(xiàn)[8]介紹了一個可評估直流配電系統(tǒng)的軟件，采取追蹤平衡節(jié)點所發(fā)出的功率來定位系統(tǒng)故障，提高了系統(tǒng)可靠性的計算效率。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)等值的直流配用電系統(tǒng)可靠性評估方法，提高了評估的精準(zhǔn)度，并驗證了直流負(fù)荷接入直流配電系統(tǒng)具備可觀的可靠性。

綜上所述，國內(nèi)目前關(guān)于電動汽車電力系統(tǒng)的直流配電系統(tǒng)研究較少。本文在提出了一種通過雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器(電池充電器)，擴(kuò)大電動汽車動力配電系統(tǒng)穩(wěn)定運行區(qū)域的控制技術(shù)，使系統(tǒng)及其電動汽車可以從主交流電網(wǎng)接收更大的功率。該技術(shù)只采用本地測量和單獨的功率設(shè)定點，同時也適用于其他直流配電系統(tǒng)。

1 用于電動汽車的直流配電系統(tǒng)

在直流配電系統(tǒng)中，DC-DC轉(zhuǎn)換器被用作電動汽車的電池充電器，也用于連接光伏組件。此外，一個中央電壓源變換器(voltage-sourced converter, VSC)接口直流配電系統(tǒng)到主機(jī)交流電網(wǎng),一個通信網(wǎng)絡(luò)用于管理單元的計量和控制直流-直流轉(zhuǎn)換器與中央VSC之間信息交換。管理單元計算出功率交換設(shè)定值的范圍，并將其發(fā)送給DC-DC變換器，以保證直流系統(tǒng)在其穩(wěn)定的運行區(qū)域內(nèi)運行。EV車主可以為其汽車設(shè)定充電狀態(tài)(state-of-charge,SOC)限制，僅當(dāng)SOC處于一定范圍內(nèi)才能進(jìn)行電源交換。圖1為一個直流配電系統(tǒng)直流母線圖。

圖1 用于電動汽車停車場配電的直流母線

基于上述所討論的直流配電系統(tǒng)，本文采用的研究系統(tǒng)如圖2所示。直流系統(tǒng)由一個中央VSC、一個代表直流配電網(wǎng)的R、L分支網(wǎng)絡(luò)和多個DC-DC轉(zhuǎn)換器組成。中央VSC與交流電網(wǎng)相連，電網(wǎng)電阻為Rs，每相電感為Ls。中央VSC調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的直流電壓，電動汽車電池充電器可以吸收或輸送電力，光伏系統(tǒng)提供電力，主交流電網(wǎng)通過中央VSC補償不匹配的發(fā)電消耗功率。

圖2 直流配電系統(tǒng)

2 直流配電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1 中央VSC

圖3 受控直流電壓電源端口的簡化框圖

如文獻(xiàn)[10]中，從Ps到vdc的傳遞函數(shù)是關(guān)于τ和Ρdc0的函數(shù)，其中τ是時間常數(shù)，Pdc0是Pdc穩(wěn)態(tài)值。

(1)

(2)

式中：Vs為vs的峰值；vs為公共耦合點處交流電網(wǎng)的線與中性點間相電壓。當(dāng)直流系統(tǒng)的其他部分吸收功率時，Pdc0為負(fù)，則τ為負(fù)(對應(yīng)非最小相位系統(tǒng))。

2.2 DC-DC轉(zhuǎn)換器

圖4 全橋DC-DC轉(zhuǎn)換器

(3)

式中：時間常數(shù)τBi是一種設(shè)計選擇。

(4)

圖5 簡化的直流-直流變換器模型

在圖6基礎(chǔ)上，用非線性微分方程描述直流系統(tǒng)的動態(tài)特性:

圖6 直流系統(tǒng)的等效電路分析

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式(12)是狀態(tài)變量的向量，～表示穩(wěn)態(tài)工作點附近的小信號擾動，A的分量可以根據(jù)電纜的電阻和電感、轉(zhuǎn)換器的電容以及轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)態(tài)工作點來確定。式 (11) 的狀態(tài)空間模型可用于直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。

3 優(yōu)化模型建立

如果電池充電器吸收的功率超過穩(wěn)定邊界，系統(tǒng)會進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，同時不穩(wěn)定性又會反過來阻止電池充電器以最大功率運行，從而導(dǎo)致資源利用率不足，延長充電時間。

(13)

(14)

式中：τi為時間常數(shù)；wi為網(wǎng)絡(luò)側(cè)直流電壓vi上濾波器的輸出。

圖7為改進(jìn)的DC-DC轉(zhuǎn)換器的簡化模型。流向直流系統(tǒng)的電流iti可用式(15)表示。

圖7 改進(jìn)的直流-直流變換器的簡化模型

(15)

若τi與直流網(wǎng)絡(luò)中互連電纜的動態(tài)時間尺度相比較大，則可以在直流系統(tǒng)的所有工作點中避免系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。將vi轉(zhuǎn)換為wi的濾波器的穩(wěn)態(tài)增益為單位，因此式(13)的修改不會改變DC-DC變換器的穩(wěn)態(tài)工作點。

將所提出的修改應(yīng)用于系統(tǒng)的DC-DC變換器，式(8)-式(10)由以下微分方程代替。

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

在MATLAB軟件環(huán)境下對改進(jìn)后的系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性驗證。圖8給出不同τi值下的穩(wěn)定與不穩(wěn)定運行區(qū)域的邊界。在這種情況下，PV系統(tǒng)產(chǎn)生的功率為10 kW，電動汽車的功耗是可變的。由圖8可知，當(dāng)τi增大時，直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行區(qū)域增大。

圖8 不同τi值的未修正系統(tǒng)和修正系統(tǒng)的穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)邊界

4 算例分析

4.1 算例

本文在PSCAD/EMTDC軟件環(huán)境下對研究系統(tǒng)進(jìn)行仿真。試驗參數(shù)如表1所示。

表1 PSCAD/EMTDC軟件環(huán)境下對研究系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗參數(shù)

4.2 優(yōu)化效果分析

圖8和圖9展示了當(dāng)穩(wěn)態(tài)工作點位于穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)時，直流系統(tǒng)在正常條件下的性能。

起初，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，如圖9所示，受控直流電壓電源端口將vdc調(diào)節(jié)到480 V。在t=0.5 s時，光伏系統(tǒng)開始產(chǎn)生功率20 kW。在t=0.6 s時，PEV2中的電池開始吸收功率20 kW;在t= 0.7 s時，PEV1中的電池開始以功率30 kW充電。因此，在穩(wěn)定狀態(tài)下，交流電網(wǎng)向直流系統(tǒng)輸出功率約30 kW。如圖9所示，直流系統(tǒng)在上述事件序列下保持穩(wěn)定，中央VSC調(diào)節(jié)直流電壓為480 V。

圖9 當(dāng)功率從交流電網(wǎng)流向直流系統(tǒng)時直流系統(tǒng)的響應(yīng)

5 s時開始產(chǎn)生功率20 kW，如圖10所示。在t=0.6 s時，PEV2中電池開始消耗20 kW的電力，補償光伏系統(tǒng)的發(fā)電量，因此沒有電力流向交流電網(wǎng)。在t=0.7 s時，PEV1中電池開始產(chǎn)生30 kW功率，如圖13所示。因此，在穩(wěn)定狀態(tài)下，約30 kW的功率從直流系統(tǒng)流向交流電網(wǎng)。直流系統(tǒng)保持穩(wěn)定，直流電壓調(diào)節(jié)在480 V，以應(yīng)對上述所有干擾。圖11—圖14證明所提出的修改對提高直流配電系統(tǒng)穩(wěn)定性具備有效性。在所設(shè)置場景中，系統(tǒng)在工作點運行，EV1和EV2的功耗分別為60 kW和50 kW，光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的功率為10 kW。根據(jù)圖8，對于未修改的直流系統(tǒng)，該工作點處于不穩(wěn)定的邊緣。因此，在t=1.3 s時，EV1的功耗變化從60 kW到7 kW，導(dǎo)致未修改的直流系統(tǒng)不穩(wěn)定。

圖10 當(dāng)功率從直流系統(tǒng)流向交流電網(wǎng)時的直流系統(tǒng)響應(yīng)

圖11 未修正時直流系統(tǒng)響應(yīng)

圖12 已修正時直流系統(tǒng)響應(yīng)(τi=0.1 ms時)

圖13 已修正時直流系統(tǒng)響應(yīng)(τi=0.2 ms時)

圖14 已修正時直流系統(tǒng)響應(yīng)(τi=2 ms時)

而對于τi=0.1 ms、τi=0.2 ms和τi=2 ms的修改直流系統(tǒng)，系統(tǒng)保持穩(wěn)定并收斂到新的設(shè)定點。不穩(wěn)定首先出現(xiàn)在P1、P2和P3，而DC-DC轉(zhuǎn)換器試圖將EV1和EV2的功率水平保持在其設(shè)定值不變。中央VSC保持直流電壓vdc恒定。

5 結(jié)語

本文提出了一種將電動汽車與交流電網(wǎng)相結(jié)合的直流配電系統(tǒng)穩(wěn)定性提高的方法。直流配電系統(tǒng)通過VSC與主交流電網(wǎng)相連，同時還可以嵌入光伏模塊，雙向DC-DC電力電子轉(zhuǎn)換器充當(dāng)電池充電器，將電動汽車與直流配電系統(tǒng)連接起來，而光伏組件則通過單向DC-DC轉(zhuǎn)換器與直流配電系統(tǒng)連接起來。結(jié)果表明，所提出的穩(wěn)定性增強(qiáng)方法可通過改變電池充電器的功率設(shè)定點來緩解不穩(wěn)定問題，而無需更改系統(tǒng)參數(shù)或硬件。本文同時給出了原系統(tǒng)和改型系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，證明了該技術(shù)擴(kuò)展了直流配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行區(qū)域。最后在PSCAD/EMTDC軟件環(huán)境下對試驗系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，以證明所提出的方法的有效性。