摘要：基于對V2G功能的初步研究，建立了V2G(Vehicle to Grid)充放電機的模型，并進行了建模仿真研究。文章分別從結構和控制兩方面對充放電機的各個部分進行了詳細的敘述，搭建了實現(xiàn)緊急電源功能時的充放電機simulink仿真模型，并對這一模型的仿真結果進行了分析。結論證明該模型能夠實現(xiàn)V2G功能，滿足用戶的需求。
關鍵詞：充放電；電動汽車；變換器；整流器
目前，隨著智能電網項目的啟動和大規(guī)模建設充電站規(guī)劃的實施，V2G(Vehicle to Grid)正成為研究熱點。V2G是指電動汽車作為移動儲能單元在受控狀態(tài)下實現(xiàn)與電網的能量和信息的雙向交換功能。文獻對V2G的可行性進行了詳細分析。
根據文獻的描述，具有V2G功能的充電站應實現(xiàn)調頻、調峰和應急電源3項基本功能。文獻提出了一種電動汽車充放電系統(tǒng)模型，但是這種模型功能單一，只能并網運行運用于電動汽車電池充放電維護，滿足不了文獻介紹的具有V2G功能充電站的應用。
筆者在文獻的基礎上對文獻提出的充放電系統(tǒng)進行了改進和完善，建立了能夠實現(xiàn)充電站調頻、調峰和應急電源3項基本功能的充放電機仿真模型。
1 V2G充放電機的拓撲結構
為實現(xiàn)能能量的雙向流動和各個功能，主電路的拓撲由無隔離雙向半橋DC／DC結構和以IGBT為開關管的三相橋式結構組成，如圖1所示。充放電機的交流測與三相電網或重要負荷連接，直流側與電動汽車連接。
直流變換部分是無隔離雙向半橋DC／DC結構。放電時VT2處于常斷狀態(tài)，VT1處于開關狀態(tài)，相當于BOOST變換器。通過控制VT1的通斷調節(jié)占空比來控制輸出電壓。充電時VT1處于常斷狀態(tài)，VT2處于開關狀態(tài)，相當于BUCK變換器，這一結構可以靈活的根據充電的具體要求轉換控制方式，實現(xiàn)控制輸出電壓或電流的目的。該結構具有使用元件少、體積小、效率高的優(yōu)點。
交直變換部分是以IGBT為開關管的三相橋式結構。傳統(tǒng)的相控橋式電路雖然在過去數(shù)十年中，為滿足不同的工作應用場合已經起到了不可或缺的作用，但是傳統(tǒng)的變換方法存在若干問題，如：功率因數(shù)低，使得線路損耗較大；注入電網的諧波過大，產生電磁干擾等。為解決這些問題并適應這些，采用以全控器件作為開關管的三相橋式拓撲結構成為趨勢。這種結構可以通過PWM控制方便的實現(xiàn)AC／DC、DC／AC的轉化。與傳統(tǒng)的相控整流電路相比，此結構還具有體積小、重量輕和動態(tài)響應速度高的優(yōu)點。
2 控制模型的建立
2．1 總體控制模型
充放電機模型全部采用simulink模塊塔建，根據V2G充放電機的功能，控制部分主要分為恒流控制、BUCK恒壓控制、BOOST恒壓控制、電流電壓雙閉環(huán)控制、電壓PID控制和功率電流雙閉環(huán)控制6個子模塊。各個階段的功能由不同的子模塊組合完成，根據指示完成各個功能的轉換。
2．2 交直變換控制部分
在充電整流階段，電能從電網經過PWM整流橋，PWM的控制采用為達到功率因數(shù)正弦波電流的雙閉環(huán)控制。電流內環(huán)的作用是按電壓外環(huán)輸出的電流指令進行電流控制，為了達到較快的電流跟隨性能，本文按典型I型系統(tǒng)設計電流PI調節(jié)器。電壓外環(huán)的作用是控制三相PWM整流器的直流側電壓，應著重考慮電壓環(huán)的抗擾性能，因此按照典型Ⅱ型系統(tǒng)設計電壓外環(huán)PI調節(jié)器。
實現(xiàn)調峰、調頻功能時充放電機與電網并聯(lián)通過調節(jié)電流可以實現(xiàn)調節(jié)輸出功率的目的，所以采用直接電流跟蹤控制，使用功率電流雙閉環(huán)控制。電流內環(huán)是按功率外環(huán)輸出的電流指令進行電流控制，功率外環(huán)的作用是穩(wěn)定輸出功率同時根據電壓頻率，以實現(xiàn)單位功率因數(shù)，改善系統(tǒng)的動態(tài)響應。
緊急電源功能在電網故障的情況下使用，這是充放電機就失去了電網的電壓嵌位作用。所以為了實現(xiàn)一功能時，采用電壓環(huán)PID控制，實時檢測輸出電壓與指定信號比較，控制輸出電壓幅值與頻率跟蹤給定信號。
2．3 直直變換控制部分
為實現(xiàn)充電模式的選擇，分別建立恒流和恒壓兩個不同的控制模塊。恒流階段采用電流跟蹤控制占空比，從而控制開關管的通斷，控制輸出電流恒定在一定值，電流值可根據需要和電池特性選擇。恒壓控制根據輸出電壓與輸入電壓計算占空比，然后根據計算所得占空比實時輸出控制脈沖。同時對電池SOC進行監(jiān)控，實現(xiàn)根據SOC情況切換充電方式，實現(xiàn)恒壓恒流組合充電方式。
直直變換部分控制單元根據要求分為3部分，第一部分應用于放電階段恒壓控制單元，第二部分應用于充電階段的恒壓階段控制單元，第三部分應用在充電階段的恒流階段控制單元。放電階段直直變換部分相當于BOOST變換器，而充電階段相當與BUCK變換器，所以放電階段恒壓控制單元采用公式(1)計算占空比，充電階段采用公式(2)。
式中：U0是直流變換器輸出電壓；Ud是直流變換器輸入電壓；D是占空比；T是開關周期；toff關斷時間；ton是開通時間。
恒壓控制子單元分為兩部分，如圖2所示。第一部分采用前饋控制方法，根據輸入的開關管開關頻率、DC／DC變換器實測的電池端電壓和給定的輸出電壓計算占空比并輸出，計算開關管開通時間Ts和開關周期T。第二部分S2是脈沖波的產生與輸出模塊，可以根據出入的Ts和T實時控制脈沖的輸出。
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首先通過S函數(shù)計算仿真開始時刻，然后將仿真時刻減去開始時刻的到仿真時間t。Rem函數(shù)是一種采用fix函數(shù)的取余運算。公式如下：
將t和周期T分別帶入rem函數(shù)計算t1，t1是在某一個周期內仿真執(zhí)行的時間。通過t1和導通時間ts的差U判斷輸出類型，當U<0時，t1<ts開關管處于導通階段，輸出脈沖1。U>0時，t1>ts開關管處于關斷階段，輸出脈沖0。將兩股信號合并后輸出連續(xù)脈沖波，控制開關管開斷?？刂屏鞒倘鐖D3所示。
3 仿真結果分析
根據分析搭建了實現(xiàn)緊急電源功能的電動汽車充放電機的simulink仿真模型，如圖4所示?？刂茊卧饕葿OOST恒壓控制和電壓PID控制組成。
電動汽車的儲能單元采用simulink內部自帶的鋰離子電池模型(300 V、100Ah)模擬。標稱放電電流為0．4 C時的放電特性，如圖5所示。
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中間平衡電壓采用700 V。提高開關管的開關頻率可以減小變換器的體積和重量，降低變換器的工作噪音，而一般IGBT的開關頻率為20 kHz，所以DC／DC變換的開關頻率設為20 kHz，根據電壓紋波系數(shù)計算，取C1=500μF、C2=200μF。根據電流紋波系數(shù)和連續(xù)臨界值計算，取L1=0．1 mL。0．1 s內的仿真結果如圖6所示。
設置SOC初始值為80％，根據圖5所示電池端電壓較長時間平衡在322 V左右，仿真結果可以模擬SOC降到20％時間內充放電機的情況，當SOC低于20％時退出運行。輸出中間平衡電壓范圍是728～737 V，有效值為729．3 V，與設置值的誤差為4．1％。根據公式(1)計算占空比值為0．558 4。實測占空比為D=0．538 6～0．539 5，如圖6所示。根據設置的輸出電壓為700 V，占空比的計算值為0．543。與實測D的誤差為0．6％～0．8％，與根據實測中間平衡電壓計算的占空比誤差是2．7％。圖7和圖8給出了輸出三相電壓、調制系數(shù)M、線電壓Uab、相電壓Ua波形。Ua的有效值為219．2，與實際值的誤差為：0．36％。調制系數(shù)經過25 ms達到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)定值為0．856。對a相線電壓進行了諧波分析，如圖9所示?？傊C波THD=1．68％，符合電網的入網要求。
4 結論
通過分析表明，該模型有很好的動態(tài)響應，實測值與計算值誤差在允許的范圍之內，輸出三相波形能很好的跟蹤參考波形，諧波含量少，波形平穩(wěn)波動小，能夠實現(xiàn)充放電機作為緊急電源這一功能。只要有足夠的容量，完全可以滿足用戶的要求。
通過對充放電機拓撲結構和控制單元的建模分析，并對其中一種功能仿真，對電動汽車充放電機的模型有了初步認識，為進一步研究奠定基礎。
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