作者簡(jiǎn)介：李家強(qiáng)（1995-），男，碩士。研究方向?yàn)樾履茉磩?dòng)力汽車充電技術(shù)、換流器并網(wǎng)控制。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.020

摘" 要：當(dāng)微電網(wǎng)應(yīng)對(duì)大負(fù)荷快速投切時(shí)，直流母線容易產(chǎn)生大幅度電壓波動(dòng)，產(chǎn)生大量諧波電流。該問題導(dǎo)致系統(tǒng)效率大大降低，并且威脅系統(tǒng)穩(wěn)定性。在微電網(wǎng)環(huán)境下，當(dāng)充電功率變化速率過快時(shí)，容易導(dǎo)致上述問題。因此針對(duì)快速充電站接入微電網(wǎng)中所導(dǎo)致的直流母線電壓波動(dòng)的問題，提出一種含前饋功率的功率控制策略。當(dāng)用戶需要充電時(shí)，結(jié)合充電汽車的充電特性與用戶充電需求，生成前饋功率曲線，再進(jìn)行充電。通過MATLBAB/Simulink仿真進(jìn)行對(duì)比分析，得出該控制策略控制方式相比于不含前饋功率的控制方式具有相應(yīng)速度快，直流電壓可以快速穩(wěn)定，并且諧波含量少等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：快速充電站；前饋功率控制；PWM；諧波電流；充電特性

中圖分類號(hào)：TM933" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）16-0087-04

Abstract： When the microgrid is quickly switched on and off under heavy load， the DC bus is easy to produce large voltage fluctuation and a large amount of harmonic current. This problem greatly reduces the efficiency of the system and threatens the stability of the system. In the microgrid environment， when the charging power change rate is too fast， it is easy to cause the above problems. Therefore， in order to solve the problem of DC bus voltage fluctuation caused by fast charging station connected to microgrid， a power control strategy with feedforward power is proposed. When the user needs to charge， combined with the charging characteristics of the rechargeable vehicle and the charging needs of the user， the feedforward power curve is generated and then charged. Through the comparative analysis of MATLAB/Simulink simulation， it is concluded that compared with the control method without feedforward power， this control strategy has the advantages of faster speed， fast and stable DC voltage and less harmonic content， so it has a certain reference value.

Keywords： fast charging station; feedforward power control; PWM; harmonic current; charging characteristics

自國家電網(wǎng)2018年3月份發(fā)布的招標(biāo)文件首次出現(xiàn)了直流電壓500 V充電站的招標(biāo)需求以來。近幾年，高功率直流充電在國內(nèi)發(fā)展非常迅猛。根據(jù)國家電網(wǎng)公司相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前快速充電站的平均充電功率在60～80 kW，相比2010年充電平均功率提升了2～3倍。而國內(nèi)目前最快的特斯拉三代“超級(jí)”充電樁的平均功率已經(jīng)達(dá)到120～150 kW，額定功率高達(dá)250 kW。超級(jí)充電樁相比目前主流充電樁相比節(jié)約近50%時(shí)間，5 min所充電量可達(dá)120 km，可以預(yù)見，隨著技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，下一輪充電功率“提速升級(jí)”是必然趨勢(shì)。2020年6月特斯拉宣布計(jì)劃在年內(nèi)于中國再安裝4 000個(gè)超級(jí)充電樁，而過去5年時(shí)間特斯拉在中國140多個(gè)城市已經(jīng)投入2 500多個(gè)“超級(jí)”充電樁，可見中國快速充電格局很有可能又會(huì)進(jìn)入一個(gè)新局面。

但是，隨著用戶對(duì)于充電速度要求越來越高，快速充電的標(biāo)準(zhǔn)越做越高，許多問題引起相關(guān)學(xué)者與工業(yè)界注意。文獻(xiàn)[1]從負(fù)荷平衡、電源容量、電能質(zhì)量和環(huán)境4個(gè)方面分析電動(dòng)汽車充電對(duì)于電網(wǎng)的影響，并且對(duì)目前主流的技術(shù)手段進(jìn)行了綜述，該文章沒有涉及到快速充電，其指出很多的問題在快速充電過程中體現(xiàn)得更加突出。其中，當(dāng)快速充電站接入配電網(wǎng)時(shí)有功功率變化率超過一定限值時(shí)，高密度充電負(fù)荷會(huì)對(duì)配電網(wǎng)造成很大沖擊，從而影響電網(wǎng)穩(wěn)定性，快速充電站在功率變化率過高時(shí)會(huì)對(duì)直流電壓穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，亦會(huì)對(duì)配網(wǎng)產(chǎn)生一定影響[2-3]。

根據(jù)上述研究?jī)?nèi)容可以看出，對(duì)于快速充電站功率變化過快已經(jīng)有了一定研究，而快速充電站作為一種特殊的負(fù)荷，在功率輸出上具有一定規(guī)律性，可以作為控制策略的一種參考。針對(duì)這一特性，提出一種結(jié)合充電汽車的充電特性與用戶充電需求的前饋功率控制策略。對(duì)含有快速充電PWM控制系統(tǒng)進(jìn)行建模，通過與不含前饋功率的功率控制策略進(jìn)行對(duì)比，分析所提出方法的可行性和有效性。

1" 直流充電機(jī)等效電阻模型仿真

根據(jù)特斯拉官方網(wǎng)站公布的某充電站內(nèi)單臺(tái)充電機(jī)的功率節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用平滑擬合方式進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，獲得該臺(tái)充電機(jī)的功率-時(shí)間曲線如圖1所示。

圖1" 瞬時(shí)充電功率擬合曲線

根據(jù)圖1，令母線電壓UB=520 V，通過仿真得到該臺(tái)充電機(jī)等效電阻RL如圖2所示。

圖2" 充電機(jī)等效輸入電阻

在EV處于低電狀態(tài)下充電時(shí)，由圖1可以看出前3 min時(shí)，功率與等效輸入電阻變化很大，而在其后充電時(shí)間內(nèi)，功率與等效輸入電阻的變化率相對(duì)較小。考慮到SOC在低電狀態(tài)時(shí)進(jìn)行充電會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生相對(duì)較大影響，需要重點(diǎn)考慮。

圖1是在充電汽車荷電狀態(tài)SOC為0時(shí)進(jìn)行充電，但大多數(shù)時(shí)候用戶不會(huì)等到極端狀態(tài)才進(jìn)行充電，此時(shí)瞬時(shí)充電功率曲線與圖1不同。當(dāng)充電汽車處于與圖1不同狀態(tài)時(shí)，本文在建模方法上依舊選用上述方法。如果運(yùn)營中心提前考慮到不同類型的充電汽車，不同SOC、不同的用戶需求給予充電機(jī)提供智能的充電方案時(shí)，將該數(shù)據(jù)前饋給控制系統(tǒng)，可以極大地緩和因負(fù)荷快速投切對(duì)系統(tǒng)所造成的沖擊。因此，本文基于運(yùn)營中心大量歷史充電數(shù)據(jù)，考慮到上述影響因素?cái)M合出多組針對(duì)不同充電狀態(tài)下的充電曲線，組建充電曲線數(shù)據(jù)庫，為用戶充電和前饋功率信號(hào)生成提供參考。

2" PWM控制策略分析

2.1" 電壓型PWM控制策略分析

電壓型PWM基本控制策略主要有2種，一種是經(jīng)典電流矢量控制，另一種是基于功率控制。本文選取的控制結(jié)構(gòu)采用的是基于上一節(jié)數(shù)學(xué)模型所建立的功率內(nèi)環(huán)與電壓平方外環(huán)的控制策略。圖3為不帶功率前饋的功率控制框圖。

圖3" 功率控制框圖

與傳統(tǒng)的電壓外環(huán)相比，采用電壓平方外環(huán)控制策略時(shí)，id為變系數(shù)的PI控制；而電壓外環(huán)網(wǎng)側(cè)PWM變換器的輸入電流PI控制系數(shù)為定值。而變系數(shù)的電流PI調(diào)節(jié)器與恒定系數(shù)的電流PI調(diào)節(jié)器相比，在儲(chǔ)能系統(tǒng)初啟動(dòng)時(shí)，直流母線電壓建壓過程中，逐漸增加的電流PI調(diào)節(jié)系數(shù)有效避免了電流沖擊對(duì)系統(tǒng)的損害，因此系統(tǒng)穩(wěn)定性相較采用傳統(tǒng)電壓外環(huán)時(shí)更好。

而功率內(nèi)環(huán)相較于傳統(tǒng)的電流內(nèi)環(huán)，電流內(nèi)環(huán)控制策略未采集微電網(wǎng)電壓信息，因此當(dāng)微電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電電流不能及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。而采用功率內(nèi)環(huán)控制策略時(shí)，PI調(diào)節(jié)器采集了微電網(wǎng)電壓信息，因此能有效抑制由于微電網(wǎng)電壓波動(dòng)造成的母線電壓的波動(dòng)。即采用功率控制策略相比于采用電流控制策略，控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能較好。

2.2 快速充電機(jī)的功率前饋補(bǔ)償

為了使網(wǎng)側(cè)PWM變換器能夠更及時(shí)獲取機(jī)側(cè)PWM變換器的功率信息，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，本文在網(wǎng)側(cè)PWM變換器采用電壓平方外環(huán)、功率內(nèi)環(huán)的控制策略，結(jié)合了快速充電機(jī)的充電特性，增加了功率前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)。通過功率前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，網(wǎng)側(cè)PWM變換器的控制系統(tǒng)可直接獲知快速充電機(jī)的功率變化，進(jìn)而提高調(diào)節(jié)微電網(wǎng)的電能質(zhì)量的速度，亦可以提高直流電壓的穩(wěn)定性。圖4為含有快速充電機(jī)的功率前饋補(bǔ)償?shù)碾p閉環(huán)控制框圖。

圖4" 雙閉環(huán)控制框圖

P'為前饋功率，前饋功率曲線是基于已有的充電曲線數(shù)據(jù)庫，當(dāng)電動(dòng)汽車進(jìn)站充電時(shí)，充電機(jī)讀取車輛信息后，按照如圖5所示的算法邏輯，選定充電方案并生成前饋功率曲線信號(hào)。

前饋功率本質(zhì)上是一個(gè)緩沖的功率裝置，其主要作用是維持系統(tǒng)穩(wěn)定，加入前饋功率之后可以極大地提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定，并且可以降低網(wǎng)側(cè)諧波電流含量，本文通過MATLBAB/Simulink搭建仿真模型對(duì)該結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。

3" 仿真分析

文章根據(jù)圖3利用MATLBAB/Simulink模型搭建含快速充電站模型。交流測(cè)電網(wǎng)電壓為380 V，直流側(cè)電壓為520 V，網(wǎng)側(cè)電阻R=0.3 Ω，電感L=1.6 mH；直流側(cè)電容C=8 200 μF。為了更好模擬站內(nèi)充電汽車充電過程檢驗(yàn)文章控制方式的有效性，模擬多輛充電汽車有序進(jìn)站充電的過程，電動(dòng)汽車荷電狀態(tài)、用戶選擇充電時(shí)長(zhǎng)以及進(jìn)站時(shí)間如圖6所示。

圖6" 進(jìn)站充電時(shí)間線圖

對(duì)于PWM控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)，外環(huán)電壓平方PI參數(shù)選取kpv=0.8，kiv=15，內(nèi)環(huán)的有功功率PI參數(shù)與無功功率PI參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)保持一致，kpp=1.375，kip=25。選取不含功率前饋時(shí)與含前饋功率時(shí)的充電過程進(jìn)行對(duì)比仿真，按照?qǐng)D5生成前饋功率曲線如圖7所示。

根據(jù)上述參數(shù)進(jìn)行仿真，對(duì)其直流側(cè)電壓與電流諧波畸變率進(jìn)行對(duì)比，截取前10 min時(shí)直流側(cè)電壓變化情況進(jìn)行分析，如圖8所示。

從圖8中可以看出，在沒有加入前饋功率的情況下，當(dāng)充電汽車在0、2.5、5.5 min開始充電時(shí)的瞬間，直流電壓波動(dòng)明顯，隨后電壓趨于穩(wěn)定。加入前饋功率后，直流電壓波動(dòng)相較沒有前饋功率時(shí)小，同時(shí)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)間較短。2種控制策略下不同時(shí)段的諧波比較見表1。

表1" 2種控制策略下不同時(shí)段的諧波比較

4 結(jié)論

文中提出了一種基于快速充電站的新型前饋功率補(bǔ)償裝置，相較傳統(tǒng)經(jīng)典電流矢量PWM控制方式，該控制方式考慮了網(wǎng)側(cè)電壓的變動(dòng)，可以實(shí)時(shí)跟蹤網(wǎng)側(cè)電壓變化情況，實(shí)現(xiàn)性能更優(yōu)的PWM控制。此外，根據(jù)快速充電裝置的性質(zhì)增加并設(shè)計(jì)了功率前饋裝置，通過Simulink仿真試驗(yàn)可以看出，增設(shè)功率前饋裝置相比無功率前饋的功率控制時(shí)，可以有效改善電壓波動(dòng)的情況，同時(shí)可以降低電流諧波含量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬玲玲，楊軍，付聰，等.電動(dòng)汽車充放電對(duì)電網(wǎng)影響研究綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013（3）：146-154.

[2] SAMI M A， WALID G M. Impact of fast charging stations on the voltage flicker in the electric power distribution systems[C]//IEEE Electrical Power amp; Energy Conference. IEEE， 2017.

[3] 呂金炳，宋輝，劉云，等.電動(dòng)汽車充電對(duì)配電網(wǎng)電壓質(zhì)量的影響研究[J].電測(cè)與儀表，2018，55（22）：33-40.