面向智能电网电动汽车双向充馈电装置的设计

张凯，于庆广，王立雯，宋力

（1.中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京100083；2． 清华大学 电机工程与应用电子技术系，北京100084；3.宁夏电力公司 中卫市供电局，宁夏 中卫755000）

1 引言

电动汽车车载电池作为一个储能装置[1]主要由电池和电网接入系统组成，由于电池储能系统在负荷平定、不间断电源、电能质量治理等方面有很高的应用价值，近年来受到各国的普遍关注[2－3]。

从电路结构来看，传统的电动汽车充电装置由分开的充电环节和放电环节分别完成蓄电池的充放电过程，就单个系统而言管理简单，但考虑到整个系统就增加了系统模块数量和复杂性。本文通过对以往设计的综合研究，设计了一种在单H 桥上实现单位功率因数整流和蓄电池并网馈电的装置，并通过人机界面进行能量的流动方向和充馈电方式的选择，“绿色”充馈电电源方案的设计使结构和性能更加优越。

相关统计表明[4]，90%以上的车辆95%的时间处于停驶状态，当电动汽车市场渗透率达到一定的规模，通过适当的激励措施鼓励电动汽车用户在车辆停驶时，将电动汽车作为可移动的分布式储能装置接入电网以实现电能双向可控流动。 这样电网企业和电动汽车用户将获得双赢，对电网企业：电动汽车用于储能和控制负荷，能提高用电低谷时段电能的利用率；在负荷高峰时向电网释放多余电能，协助电网满足高峰负荷需求，以降低新建发电机组的投入；电网停电时用作备用电源，提高电网可靠性。 对电动汽车用户：可以在负荷低谷时低价充电；根据需要在负荷高峰时以高价回售电网，进一步降低电动汽车的使用成本，从而实现最优化的用电模式[5－6]。

2 充馈电系统拓扑结构

本文设计的整流并网能量双向流动的充放电装置拓扑结构如图1所示。 主电路由一个全桥电路及逆变侧工频电感L1、并网侧工频电感L2和LC 滤波电容C1及直流侧滤波电容C2组成。 图1中，整流过程参考量为：V1检测的电网电压us，A1检测的电网侧电流Is，V3检测的直流电压udc，A2检测的直流电流Idc；逆变过程参考量为：电网电压us，V2检测的逆变电压uo，A1检测的间接并网电流Is、直流电压Udc。

图1 系统主电路拓扑Fig.1 Main circuit topology of system

3 双向充馈电系统工作原理

图2为电网侧能量流动环节等效电路图。 图2中Us为电网电压Us的基波相量；UL为电感L1和L2两端电压的基波相量；UAB为直流侧电压Udc经SPWM 调制后的交流侧电压UAB的基波相量；Ⅰs为并网电流Is的基波相量。

图2 电网侧等效电路Fig.2 Equivalent circuit of grid-side

稳态条件下，忽略电网电压的谐波分量，有Us=jωLⅠs+UAB，理想条件下假设并网电流幅值为|Is|，电感电压幅值|UL|=ωL|Is|，假定电网电压保持不变，则整流桥交流侧电压将在一个圆上运动[7]，电压矢量图如图3所示。

图3 电网侧能量流动向量图Fig.3 Phasor diagram of grid-side energy flow

由图3可以得知，UAB在圆上沿A—B—C—D—A 运动时，功率因数φ（Us与Ⅰs夹角）的变化为90°— 0°— -90°— -180°— 90°，即H桥工作在1—4—3—2—1 象限。 因此，可以通过UAB的幅值和相位来控制电感两端的电压UL，从而控制Ⅰs的幅值和相位，实现功率的双向流动。图3b 中功率因数为1，直流侧只向电网吸收有功功率，图3d 功率因数为-1，直流侧只向电网回馈有功功率，本文选择这两种情况作为工作点。

4 充馈电系统逻辑控制策略的设计

4.1 整流充电模式

图4为恒压（恒流）控制框图，U*dc为直流侧电压参考值，I*dc为直流侧电流参考值，系统可以实现恒压充电、恒流充电、恒流/恒压充电。系统将充电电压/充电电流进行PI 调节后跟踪电网电压的相位，双环控制实现单位功率因数整流[8]。

图4 整流恒压（恒流）控制框图Fig.4 Design block diagram of control constant voltage（current）rectifier

4.2 并网馈电模式

图5为并网之前进行电压控制的框图，其中Usrms为电网电压有效值，Uorms为逆变电压有效值，Uo为逆变电压瞬时值，变流器逆变电压经过L1，C1滤波成正弦波形，逆变电压有效值和瞬时值双环控制加上电网电压前馈，共同构成并网之前的逆变电压有效地跟踪电网电压。

图5 馈电并网前电压控制框图Fig.5 Voltage control block diagram before grid-connected

图6 馈电并网后电流控制框图Fig.6 Current control block diagram after grid-connected

图6为并网之后电压不控而进行电流控制的框图。 图6中I*srms为并网电流的参考有效值，Isrms为并网电流的计算有效值，系统并网条件满足后进行合闸并网，此时系统由并网前的电压控制转为并网后的电流控制，有效值和瞬时值双环控制再加上电网电压前馈控制可使系统稳定运行。

5 实验分析

为验证本文设计的双向变流器及其控制策略的有效性，搭建了3 kW 的实验样机。样机主控制器选用TMS320F2812，辅助控制器选用Xilinx公司的Spartan-3E 系列的FPGA，其中DSP 完成主要控制功能，FPGA 完成脉冲发生、IO 口缓冲、系统保护等功能，开关管选用三菱公司的IPM（PM150CL1A120），人机控制界面采用威纶通的MT6070iH，整流馈电以及充电模式的选择均可在人机界面上实现。 系统整流运行时，直流侧采用40 Ω 的电阻作为负载进行实验，并网馈电运行时直流侧采用400 V 左右的直流电压模拟蓄电池进行实验。

系统主要参数为：电网侧电感L1=3 mH，电网侧电感L2=2 mH，电网侧电容C1=35 μF，直流侧电容C2=2 200 μF，电网电压Us=220 V，直流侧电压Udc=400 V，开关频率10 kHz。

5.1 稳态实验分析

图7为整流充电状态下稳态波形，可以看出电网电压和电网电流同相位，实现单位功率因数整流，对电网谐波污染少，并且直流侧电压和电流纹波波动在允许范围内，系统性能满足设计要求。 本设计具备多种充电模式：恒压充电，恒流充电，恒流/恒压充电即先以大电流恒流充电，电池电压升高后转为恒压充电。

图8为并网馈电状态稳态波形，可以看出电网电压和电网电流相位反向，系统向电网回馈电能，实现了能量的双向流动。

图7 整流充电稳态波形Fig.7 Steedy-state waveforms of rectifier charging

图8 并网馈电稳态波形Fig.8 Steedy-state waveforms of grid-connected feed system

此外，因为具有并网功能，本设计可扩展空间大大增加，还可与光伏发电和风机发电配合实现并网馈电功能。

5.2 暂态实验分析

图9为整流系统启动时和突加减负载时的波形，整流启动先进行不可控整流待电压升高后进行电压控制，电压电流波动均在允许范围内，系统能够稳定运行。

图9 整流系统暂态波形Fig.9 Transient waveforms of rectifier system

图10 馈电系统暂态波形Fig.10 Transient waveforms of feed system

图10为馈电系统暂态波形。 图10a 为并网之前控制逆变电压，图10b 为并网之后控制并网电流，系统冲击在允许范围内，系统能够稳定运行。

根据本节分析可知，实验结果均与理论分析一致，变流器在稳态和暂态均能正常工作且达到了控制要求，证明本文设计的整流馈电双向充馈电装置的正确性和可行性。

6 结论

本文设计了一种面向智能电网的电动汽车整流馈电双向充放电装置，可在用电高峰时向电网馈电，用电低谷进行汽车充电，对电网系统进行“削峰填谷”（V2G 系统）。 另外，高功率因数也使本装置成为电网的绿色用户。

该系统具有绿色、节能、并网的功能特性，还可以拓展应用于光伏发电、风力发电等分布式系统，用途更加广泛。

[1] 赵彪，于庆广，王立雯，等.用于电池储能系统并网的双向可拓展变流器及其分布式控制策略[J].中国电机工程学报，2011，31（增刊）：244－252.

[2] 赵静波，雷金勇，甘德强.电池储能装置在抑制电力系统低频振荡中的应用[J].电网技术，2008，32（6）：92－99.

[3] Bhargava B，Dishaw G．Application of an Energy Source Power System Stabilizer on the 10 MW Battery Energy Storage System at Chino Substation[J]． IEEETrans.on PowerSystems，1998，13（1）：145－151．

[4] 李瑾，杜成刚，张华，等．智能电网与电动汽车双向互动技术综述[J]．供用电，2010，27（3）：12－14．

[5] 胡学浩． 智能电网——未来电网的发展态势[J]． 电网技术，2009，33（14）：1－5．

[6] 赵彪，于庆广，王立雯，等．具有馈电功能的新型并网UPS 系统及其分散逻辑控制策略[J]．中国电机工程学报，2011，31（31）：85－94．

[7] 肖宜．并网型不间断电源设计及仿真研究[D]．北京：清华大学，2010．

[8] 黄俊，王兆安.电力电子变流技术[M].北京:机械工业出版社，1997.