面向主动配电网的电动汽车充放电功率控制技术

2017-08-12韩华春吕振华

电力工程技术 2017年4期

关键词：传递函数畸变充放电

韩华春，丁昊，黄地，吕振华

(1. 国网江苏省电力公司电力科学研究院, 江苏南京 211103;2. 国网江苏省电力公司检修分公司,江苏南京 211106)

面向主动配电网的电动汽车充放电功率控制技术

韩华春1，丁昊2，黄地1，吕振华1

(1. 国网江苏省电力公司电力科学研究院, 江苏南京 211103;2. 国网江苏省电力公司检修分公司,江苏南京 211106)

电动汽车V2G系统不仅能实现对电池的充放电功能，还能发挥三相电压型PWM变流器的四象限运行功能，为电网提供双向可控的有功功率和无功功率，实现平抑电网负荷波动、削峰填谷等功率调节功能。本文针对V2G系统的并网功率控制，分析了电动汽车V2G系统拓扑结构，并提出基于比例反馈积分(PFI)的功率控制方法，实现V2G系统并网电流指令的精确跟踪；与常规的比例积分(PI)控制进行了对比分析，通过PSIM仿真平台验证了该PFI控制方法的有效性。

电动汽车; V2G; 比例反馈积分; 功率控制

0 引言

主动配电网的建设依托于大规模间歇式可再生能源并网运行控制、电网与充放电设施互动、智能配用电等关键技术的发展[1-3]。在主动配电网中，需要对电动汽车这种不确定性较大的负荷进行主动控制，引导电动汽车进行有序充放电，使得电网可以较好地消纳电动汽车。V2G系统[4-6]是实现电动汽车与电网能量互动的接口，合理高效的充放电控制对于蓄电池安全健康、电网稳定运行有着至关重要的影响。

V2G系统变流器并网运行时通常控制为电流源，其控制目标是快速响应功率指令，调节并网功率。HUTSON C[7]研究了电动汽车与电网之间的功率双向流动问题，指出电动汽车充放电带来的负荷变化对电网发电和调度有重要的影响。文献[8]通过电力电子设备将电动汽车与电网相互连接实现能量在二者之间的双向交换，证明了电动汽车和电网之间进行能量双向流动的可能性。文献[9,10]提出了考虑电动汽车运行不确定性的电动汽车分布式储能充放电控制策略，通过与分布式储能控制中心的信息交互，实现了与电网的能量双向交换，提高了可再生能源发电的可调度性。文献[11]以平抑负荷波动为目的，提出了一种智能充放电控制策略，并分析了电动汽车V2G技术减小家庭负荷波动的情况。文献[12]对3辆容量均为80 A·h的电动汽车采用V2G技术平抑某一区域的电网负荷进行了仿真分析，通过对电动汽车的充放电控制进一步缩小了电网峰谷差。文献[13-15]提出了自治分布式V2G频率下垂控制策略，入网电动汽车就地测量电网频率并根据频率偏差控制其充放电功率，为系统提供调频服务。

本文研究了电动汽车V2G系统并网功率下的控制策略，提出了基于比例反馈积分(PFI)的电流控制方法，根据功率和电流的对应关系生成指令电流，实现V2G系统并网电流指令的精确跟踪。

1 电动汽车V2G系统结构

电动汽车充放电装置是电动汽车与交流电网之间能量转换的纽带，其拓扑结构直接影响充放电系统控制策略的制定。电动汽车V2G系统的拓扑结构如图1所示。

图1 电动汽车V2G系统拓扑Fig.1 Topology structure of V2G system

Ⅰ为电动汽车动力电池组，可作为负荷吸收电网电能，也可作为储能单元向电网反馈电能；Ⅱ为双向DC/DC变换器，主要进行电池侧直流电压的升降变换，使其能够适应更宽范围的电动汽车动力电池端电压；Ⅲ为直流母线电容，是双向功率交换的纽带；Ⅳ为双向AC/DC环节，采用电压源型脉冲宽度调制(PWM)变流器，实现交流与直流的双向转换；Ⅴ为三相负载；Ⅵ 为电网电压。

电动汽车在主动配电网中可作为分布式储能单元，在电网需要的时候反向馈电，并且基于电压源型PWM变流器的四象限运行，接受电网有功、无功功率指令，是电动汽车与电网能量双向互动的关键。电动汽车V2G拓扑中，VSC与Buck/Boost变换器仅能量流动方向一致，控制相互独立。

2 基于PFI的电流跟踪控制

2.1 电流内环PFI控制器

V2G系统变流器电流内环的控制目标是使输出电流高精度跟踪给定电流，减少瞬态跟踪时间，实现快速与精确跟踪[16]。

电动汽车V2G系统在实际运行环境中，受电网自身容量、结构和负载特性的影响，普遍存在电网电压畸变等非理想现象，特别是在局部微电网和距离电力主干网较远的终端[17]。当电网电压出现畸变等现象时，传统的比例积分(PI)控制策略的控制性能就会变差。基于此，采用基于PFI控制器的电流跟踪控制，如图2所示。

图2 d轴电流环PFI控制器Fig.2 d-axis current loop PFI controller

图2中：Ts为采样周期；KPWM为PWM等效增益，忽略开关器件的损耗及死区效应等，可认为KPWM=1；惯性环节1/(1.5Ts+1)近似表示信号采样延迟和PWM控制的小惯性特性。

d轴输入电流可表示为：

(1)

式(1)中第一项为d轴电流参考值产生，第二项为d轴的电网电压扰动所产生。无论比例增益kp取何值，只要系统稳定且积分系数ki≠0，则在s→jω0处有：

(2)

d轴电流内环的闭环传递函数Gr_pfi(s)为：

(3)

对应的电流内环开环传递函数Gro_pfi(s)为：

(4)

考虑到系统的抗扰性能，忽略电流内环等效时间常数Ts的影响，式(4)可写成如下形式：

(5)

由式(5)算得电流内环的阻尼比ξ和自然振荡频率ωn为：

(6)

计算得：

(7)

为了使电流内环获得较好的动、静态特性，设置系统的阻尼比ξ=0.707，ωn=300 rad/s，将ξ,ωn参考值代入式(7)，即可设计出电流内环调节器的参数kp,ki。

在PFI调节器的设计中，根据上述方法可确定基本参数，但是实际应用中还需要通过适当的调整得到最佳调节参数kp,ki，以避免参数选择的盲目性。

2.2 电流内环PFI控制性能分析

基于PFI控制的电流内环控制器与传统PI控制器(如图3所示)的区别在于比例环节位置不同，PI控制器在前向通道，PFI控制器在反馈通道上。为验证基于PFI控制的电流内环控制方法的有效性，本节将PFI控制器与传统PI控制器进行比较分析。

图3 d轴电流环PI控制器Fig.3 d-axis current loop PI controller

由图2推导得到基于PFI控制器的扰动传递函数Gd_pfi(s)和误差传递函数Ge_pfi(s)。

扰动ed到输出id的传递函数Gd_pfi(s)：

（3）浑河、苏子河的氮输入对抚顺取水口处各水质要素的影响相当，减小苏子河的磷输入能更有效地降低抚顺取水口处的叶绿素a浓度。该研究以期为大伙房水库水资源可持续利用及水质管理提供理论指导。

(8)

误差e到输出id的传递函数Ge_pfi(s)：

(9)

由图3可推导出基于PI控制器的闭环传递函数、扰动传递函数以及误差传递函数。

(10)

扰动ed到输出id的传递函数Gd_pi(s)：

(11)

误差e到输出id的传递函数Ge_pi(s)：

(12)

对以上PFI控制器和PI控制器的闭环传递函数、扰动传递函数、误差传递函数进行对比分析，可以看出：

(1) 闭环传递函数Gr_pfi(s)和Gr_pi(s)分母相同，即具有相同的极点，不同的是PI控制引入了零点(kps+ki)，当有阶跃输入时，比例和积分将同时起作用，会引起较大超调；而采用PFI控制时，积分先起作用比例后起作用，超调将会减小甚至消失。

图4 PFI控制器和PI控制器传递函数频域特性Fig.4 Frequency domain characteristics of transfer function for PFI controller and PI controller

3 仿真分析

在仿真软件PSIM9.0中搭建了V2G系统变流器的仿真模型，仿真参数设置见表1。标定V2G系统交流侧输出电流入网侧方向为正。

在电网电压存在一定畸变(含10%的5次谐波，即电网电压THD为10%)的情况下，采用所提出的PFI控制方法进行仿真，并与传统的PI控制器对比。

表1 V2G系统变流器主要参数Table 1 Main parameters of converter in V2G system

图5、图6为电网电压畸变情况下，V2G系统的动态输出波形。仿真时间t=0.1 s时给定功率指令为Pref=-8 kW，Qref=6 kvar。

图5 电压畸变时并网功率跟踪波形(PI控制器)Fig.5 Grid connected power waveform under voltage distortion (PI controller)

图6 电压畸变时并网功率跟踪波形(PFI控制器)Fig.6 Grid connected power waveform under voltage distortion (PFI controller)

结合表2给出的三相输出电流THD值，可以看出，电网电压畸变时，基于PI控制的电流谐波含量较大，其THD为4.84%、4.58%、4.62%，而且并网功率值有明显的波动；而PFI控制时并网电流质量较好，功率波动小，说明采用PFI控制时可有效抑制电网波动对并网电流的影响。

表2 电网电压畸变时并网电流THDTable 2 Grid current THD in grid voltage distortion %

4 实验验证

采用本文提出的PFI控制器对V2G系统进行并网功率控制实验，并在微电网公共点电压畸变情况下与传统PI控制器进行对比分析。

图7、图8为微电网公共点电压畸变(THD=3.61%)情况下，V2G系统响应并网功率指令的稳态输出波形，实验中，给定功率指令为Pref=-2.7 kW，Qref=2.7 kvar。

图7 V2G系统功率响应实验波形(PI控制器)Fig.7 Power dispatching experimental waveform of V2G system based on PI controller

图8 V2G系统功率响应实验波形(PFI控制器)Fig.8 Power dispatching experimental waveform of V2G system based on PFI controller

对比图7和图8可以看出，电网电压畸变时，V2G系统在两种控制器作用下的输出电流都存在畸变，但是畸变程度不同，其PI控制器下输出电流ia的THD为3.35%，而采用PFI控制器的THD为2.25%。由图7(b)、图8(b)可以看出，相对于PI控制器，采用PFI控制器的输出电流3次谐波含量明显减小。采用PFI控制器的并网电流波形质量相对PI控制器较好一些，能够有效抑制并网电压畸变等波动造成的影响。

由于实验条件限制，若是网侧电压达到仿真中畸变效果，PFI控制器比PI控制器抑制网侧电压波动等优势效果会更明显。

5 结语

本文研究了面向主动配电网的电动汽车V2G系统并网功率模式下的控制策略，基于给定的功率指令，根据功率和电流的对应关系生成指令电流，并提出基于PFI的电流控制算法，实现V2G系统并网功率的精确跟踪；在PSIM仿真平台上搭建了V2G系统变流器模型并进行仿真验证，通过与常规的PI控制进行了对比分析，本文所提出的PFI控制器能够快速跟踪电流指令，并且在网侧电压畸变时，输出电流也能不受影响，输出较好的正弦电流波形。

[1] 李作锋, 黄奇峰, 杨世海, 等. 适应新型电力供需的多元化友好互动体系研究[J]. 江苏电机工程, 2016, 35(5): 1-5. LI Zuofeng, HUANG Qifeng, YANG Shihai，et al. Multi-target compounded AGV scheduling system modeling and application in electric power metering Calibration [J]. Jiangsu Electrical Engineering， 2016, 35(5): 1-5.

[2] 王云, 刘东, 李庆生. 主动配电网中柔性负荷的混合系统建模与控制[J]. 中国电机工程学报, 2016, 36(8): 2142-2150. WANG Yun, LIU Dong, LI Qingsheng. Modeling and control of flexible load based on hybrid system in active distribution network [J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(8): 2142-2150.

[3] 杨永标, 黄莉, 徐石明. 电动汽车换电商业模式探讨[J]. 江苏电机工程, 2015,34(3): 19-24. YANG Yongbiao, HUANG Li, XU Shiming. A discussion on battery-swapping commercial mode of electric vehicles [J]. Jiangsu Electrical Engineering, 2015, 34(3): 19-24.

[4] KEMPTON W, TOMIC J. Vehicle-to-grid power fundamentals: calculating capacity and net revenue[J]. Journal of Power Sources， 2005, 144(1): 268-279.

[5] KEMPTON W, DHANJU A. Electric vehicles V2G: storage for large scale wind power[J]. Windtech International, 2006, 2(1):18-21.

[6] LIU H, NING H, ZHANG Y, et al. Role-dependent privacy preservation for secure V2G networks in the smart grid[J]. IEEE Transactions on Information Forensics and Security, 2014, 9(2): 208-220.

[7] HUTSON C, VENAYAGAMOORTHY G K, CORZINE K A. Intelligent scheduling of hybrid and electric vehicle storage capacity in a parking lot for profit maximization in grid power transactions[C]∥IEEE, 2008: 1-8.

[8] BROOKS A N. Vehicle-to-grid demonstration project: Grid regulation ancillary service with a baaery electric vehicle[EB/OL]. (2002-12-10). http:∥arb. ca. gov/research/apr/past/01-3 13. pdf.

[9] 李志伟, 赵书强, 刘应梅. 电动汽车分布式储能控制策略及应用[J]. 电网技术, 2016, 40(2): 442-450. LI Zhiwei, ZHAO Shuqiang, LIU Yingmei. Control strategy and application of distributed electric vehicle energy storage[J]. Power System Technology, 2016, 40(2): 442-450.

[10] 鲍谚, 贾利民, 姜久春, 等. 电动汽车移动储能辅助频率控制策略的研究[J]. 电工技术学报, 2015, 30(11): 115-126. BAO Yan, JIA Limin, JIANG Jiuchun. Research on the control strategy of electric vehicle mobile energy storage in ancillary frequency regulation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(11): 115-126.

[11] METS K, VERSCHUEREN T, De TURCK F, et al. Exploiting V2G to optimize residential energy consumption with electrical vehicle (dis)charging[C]∥Smart Grid Modeling and Simulation (SGMS). IEEE First International Workshop on, 2011: 7-12.

[12] 张丽, 王媚, 杜成刚, 等. 一种V2G充放电控制策略算法应用[J]. 华东电力, 2010, 38(11): 1675-1677. ZHANG Li, WANG Mei, DU Chenggang, et al. Application of an algorithm of control strategy for charging & discharging system based on V2G[J]. East China Electric Power, 2010, 38(11): 1675-1677.

[13] OTA Y, TANIGUCHI H, NAKAJIMA T, et al. Autonomous distributed V2G (vehicle-to-grid) satisfying scheduled charging[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2012, 3(1): 559-564.

[14] OTA Y, TANIGUCHI H, NAKAJIMA T, et al. Autonomous distributed V2G (vehicle-to-grid) consid-ering charging request and battery condition[C]∥Innovative Smart Grid Technologies Confer-ence Europe (ISGT Europe). IEEE PES, 2010: 1-6.

[15] OTA Y, TANIGUCHI H, NAKAJIMA T, et al. Autonomous distributed vehicle-to-grid for ubiquitous power grid and its effect as a spinning reserve[J]. Journal of International Council on Electrical Engineering, 2011, 1(2): 214-221.

[16] 程军照，李澎森，吴在军，等. 微电网下垂控制中虚拟电抗的功率解耦机理分析[J]. 电力系统自动化，2012，36(7)：27-32. CHENG Junzhao, LI Pengshen, WU Zaijun，et al. Analysis of power decoupling mechanism for droop control with virtual inductance in a microgrid[J]. Automation of Electric Power System，2012，36(7)：27-32.

[17] IVANOVIC Z, VEKIC M, GRABIC S, et al. Wide bandwidth power flow control algorithm of the grid connected VSI under unbalanced grid voltages[C]∥13th International Power Electronics and Motion Control Conference. Poznan Poland, 2008: 1957-1962.

(编辑刘晓燕)

Electric Vehicle Power Control Strategy for Active Distribution Network

HAN Huachun1, DING Hao2, HUANG Di1,LYU Zhenhua1

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company Research Institute, Nanjing 211103, China;2. State Grid Jiangsu Electric Power Company Maintenance Branch, Nanjing 211106, China)

V2G system can provide two-way controllable active power and reactive power into the power grid, realize the load fluctuation and stabilize the power grid peak power regulation function. This paper focuses on the power control of the V2G system in the grid-connected mode. The main circuit structure of the V2G system is introduced. To tracking current instructions precisely, the proportion feedback integral control method is proposed. The effectiveness of the proposed control strategy is verified by simulation and experiment results.

electric vehicle; V2G; proportional feedback integral; power control

2017-02-08；

2017-04-01

国家重点研发计划资助项目(2016YFB0101800);国网江苏省电力公司科技项目(5210EF15001H)

TM73

2096-3203(2017)04-0008-06