电动汽车参与直流微电网互动的协调控制研究*

李丽娜，刘宏君，张兆云

(1.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518033； 2. 长园深瑞继保自动化有限公司，广东 深圳 518057；3. 东莞理工学院，广东 东莞 523808)

0 引 言

由于能源危机和环境污染问题的日益严重，大力发展可再生能源和电动汽车技术成为节能减排的重要举措[1-2]。随着国内外电动汽车技术的快速发展，电动汽车的占常规汽车比例不断提升[3-4]。电动汽车内部含有大量的蓄电池组，相当于移动储能系统，同时蓄电池具有能量双向流动特性，既可以作为负载，又可以作为电源，因此基于这一特点可以通过对所接入的大规模电动汽车进行有效的控制,不仅能够减小静态储能配置容量，同时能够为电网提供辅助服务，因此电动汽车移动储能参与电网互动已经得到了广泛关注[5-7]。

电动汽车参与电网互动策略可以应用于大电网，也可以用于小型微电网，文章主要关注电动汽车参与微电网互动技术[8]。早期关于电动汽车参与微电网运行控制、优化以及调度策略主要集中交流微电网[9-11]。近年来，由于直流微电网存在能量转换次数少、效率高、控制结构简单，并且易于光伏发电单元和储能单元接入等优势得到了迅速发展[12-13]。针对电动汽车参与直流微电网互动协调控制策略这一问题，文献[14]提出了一种电动汽车参与直流微电网的充电优化控制策略，根据不同的应用场合，制定了含电动汽车充电需求的微电网能量管理优化策略，与常规充电相比提高了光伏利用率，同时降低了电动汽车充电和电力系统高峰负荷影响。文献[15]提出了含电动汽车无线充电站的光/储直流微电网分层控制策略，考虑了蓄电池充放电、光伏发电单元运行以及无线传输工作特性，给出了本地层和上层控制策略，所提出的策略能够提升无线充电效率。

根据上述研究内容可以看出，目前电动汽车参与直流微电网策略主要集中于电动汽车充放电运行的优化，而对于电动汽车参与直流微电网的协调运行控制研究较少。针对这一问题，提出了一种电动汽车参与直流微电网的协调控制方法。建立了各个接口单元的数学模型，根据并网运行和孤岛运行的运行目标制定了并网接口装置、光伏发电单元以及电动汽车的协调控制方法，最后通过仿真结果验证了所提出方法的可行性和有效性。

1 集成电动汽车的直流微电网结构

集成电动汽车的直流微电网整体结构如图1所示。

图1 集成电动汽车的直流微电网整体结构Fig.1 Overall structure of DC micro-grid with integrated electric vehicle

直流网络通过电压源型并网变换器与交流电网连接实现能量双向互动，可以运行在并网和孤岛两种模式。直流网络内部含有光伏发电单元、储能单元、电动汽车以及多种类型负载。由于光伏组件输出电压较低，因此光伏发电单元通常由光伏电池组件和升压DC/DC变换器构成；储能单元和电动汽车通过双向DC/DC变换器接入直流母线，同时直流微电网中集成了大量的重要和非重要直流负载。电动汽车内部简化结构框图如图2所示。

图2 电动汽车的内部结构框图Fig.2 Internal structure block diagram of electric vehicle

根据图2，其内部含有蓄电池组、双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器和电机等，左侧DC/DC变换器接入直流母线，通过控制DC/DC可以对电动汽车内部蓄电池组进行能量管理。在电网能量过剩期间可以通过电动汽车将多余能量进行存储；在电网能量不足时，电动汽车能够释放能量回馈为电网提供辅助服务，实现电动汽车和微电网之间有效互动。

2 集成电动汽车的直流微电网数学模型

2.1 光伏发电单元的数学模型

光伏发电单元由光伏电池和升压型DC/DC变换器构成，其典型结构如图3所示。

图3 光伏发电系统的拓扑结构Fig.3 Topology of photovoltaic power generation system

根据图3所示，下面分别对光伏电池和DC/DC变换器进行建模分析。光伏电池存在多种数学模型，包括单二极管模型、双二极管模型以及工程数学模型等[16-17]。文中采用工程数学模型，其可以表示为：

(1)

(2)

ΔU=-bΔT-RsΔI

(3)

(4)

(5)

ΔT=Tc-Tref

(6)

式中Iv为光伏电池电流；Isc和Uoc为光伏电池的短路电流和开路电压；Um和Im分别光伏电池最大功率点的峰值电压和峰值电流；a和b分别为参考光照强度下电流和电压变化温度系数；ΔIv为由温度和光照强度引起的电流变化量；ΔT为温度的变化量；Tref为参考温度；Sref为参考光照强度。

根据图3中升压DC/DC变换器的拓扑结构，在建模过程中考虑开关状态，当开关闭合时，开关函数d=1；当开关断开时，开关函数d=0，整理后得到：

(7)

(8)

式中upv为光伏组件输出电压；Lv为滤波电感；Cpv为输入滤波电容；Cdc为输出滤波电容；upv为滤波电感电流；io为输出电流；udc为直流母线电压。

2.2 电动汽车的数学模型

根据图2所示，在此不考虑电动汽车内部结构中的电机调速部分，因此电动汽车可以等效为蓄电池组和双向DC/DC变换器，如图4所示。

图4 电动汽车的等效电路Fig.4 Equivalent circuit of electric vehicle

在电动汽车动力电池的发展中，目前应用在电动汽车上的电池存在多种类型，根据各方面的性能比较，锂电池性能较好[4]，因此在此考虑电动汽车选取锂电池，锂电池的放电模型和充电模型可以分别表示为[18]：

(9)

(10)

式中E0为电压常数;K为极化常数；Q为蓄电池最大容量；i*为低频动态电流；it为可提取容量；i为蓄电池电流；A为指数电压；B为指数容量。

蓄电池的荷电状态可以表示为：

(11)

式中SOC为荷电状态。

2.3 并网接口装置的数学模型

并网接口装置采用三相两电平电压源型并网变换器，其拓扑结构如图5所示。

图5 并网接口装置框图Fig.5 Block diagram of grid connected interface device

根据图5所示，为了便于控制，以d轴电压进行定向能够得到dq坐标系下的数学模型为：

(12)

式中Lg和Rg为滤波电感和等效电阻；id和iq分别电网电流的d轴和q轴分量；vd和vq分别为变换器端电压的d轴和q轴分量；ud和uq分别为电网电压的d轴和q轴分量；ω为基波角频率。

3 电动汽车参与微电网互动控制策略

根据前面分析可知，当电动汽车接入直流微电网时能够将其等效为移动储能系统，因此电动汽车的灵活接入可以降低静态储能配置的容量需求，减少整个系统的运营和投资成本。为了便于分析电动汽车移动储能系统参与直流微电网互动控制策略，在控制策略研究中不考虑静态储能装置。根据系统运行状态主要可以分为并网运行模式和孤岛运行模式，下面分别对其进行分析。

3.1 并网运行模式

在并网运行模式中，并网静态开关闭合，直流微电网中的直流母线电压由并网接口装置进行控制，为了最大化利用太阳能进行并网发电，此时光伏发电单元运行在最大功率跟踪模式，多个电动汽车同时接入直流母线工作在充放电模式。在并网模式运行过程中，主要利用电动汽车移动储能系统实现电力系统削峰填谷。因此下面分别对两种情况进行分析；

(1)当外部负荷处于峰值时段时，电力系统供能需求增加，对于直流微电网，当光伏输出功率大于负载功率时，此时多余的功率将全部传输给电网；当光伏输出功率小于负载功率时，不足的功率将由电动汽车提供，并且在两种情况下电动汽车移动储能将会以SOC比例进行放电工作，电动汽车输出功率与SOC比例成正相关，当SOC处于下限时，其处于待机状态；

(2)当外部负荷处于谷值时段时，电力系统供能需求减少，此时以快速对多组电动汽车进行充电为主的运行调控方式。对于直流微电网，当光伏输出功率大于负载功率时，此时多余的功率全部对电动汽车进行充电，且不足的功率由电网供给。当光伏输出功率小于负载功率时，此时负荷不足的功率和电动汽车充电功率全部由电网供给。

为了实现并网运行模式下的协调控制策略，下面分别对各个单元进行分析。在并网运行时，并网变流器采用电网电压定向矢量控制，其主要控制目标是维持直流母线电压稳定，其控制框图如图6所示。根据图6首先要采集实际直流母线电压，然后将其与直流电压参考值相减得到直流电压误差信号，经过PI调节器得到d轴电流内环指令，为了实现单位功率因数运行，设置q轴电流指令为0，然后进行电流内环控制，将调节器的输出分别与解耦项和前馈项叠加后得到调制信号，最终通过SPWM调制得到驱动脉冲。

图6 并网接口变换器的控制框图Fig.6 Control block diagram of grid-connected converter

对于光伏发电系统，控制策略如图7所示。

图7 光伏接口变换器的控制框图Fig.7 Control block diagram of photovoltaic interface converter

为了实现最大功率跟踪控制，在此采用扰动观察法，分别采集光伏电池组件的输出电压和输出电流，将其送入扰动观察法MPPT模块得到电压参考值，然后进行电压闭环控制得到占空比信号，将占空比送入PWM调制模块得到开关器件的驱动信号。

对于电动汽车移动储能系统，其详细控制框图如图8所示。首先采集蓄电池SOC、端电压以及功率指令送入能量管理系统(Energy Management System，EMS)，进而求得输出电流指令，然后通过电流闭环控制得到占空比信号，最后将其送入PWM调制模块得到变换器的驱动信号。

图8 电动汽车接口变换器的控制框图Fig.8 Control block diagram of electric vehicle interface converter

3.2 孤岛运行模式

当电网发生短时故障时，整个系统失去了外部电网的频率和电压支撑作用，为了避免过流对并网接口装置造成损害，将脉冲封锁，停止工作，等待电网恢复。此时为了保证直流母线上所接入重要负荷不间断供电，需要切换电动汽车移动储能的控制策略，由于存在多台电动汽车，因此为了实现即插即用，在此采用直流下垂控制策略，其控制框图如图9所示。

图9 孤岛运行模式下电动汽车的控制框图Fig.9 Control block diagram of electric vehicle under islanding operation mode

根据图9所示，在此采用直流电流-电压下垂控制，采集直流电流并乘以下垂系数得到电压变化量，并将该变化量叠加至电压外环参考值上，然后进行电压外环控制得到电流内环指令，将电流内环指令与实际值相减经过PI调节器得到占空比信号，再经过PWM载波调制模块得到驱动脉冲。

4 仿真验证

为了验证所提出的电动汽车参与直流微电网互动协调控制策略的有效性，采用Matlab/Simulink仿真软件搭建小规模仿真试验平台。设定系统直流母线电压为800 V，电网相电压峰值为380 V/50 Hz，选取两台纯电动汽车，其额定充电功率为15 kW，设置SOC上下限分别为90%和20%，光伏发电系统额定功率为10 kW，设置交流负荷为30 kW，直流负荷为10 kW，假设交流负荷大于10 kW为峰值阶段，反之假设外部负荷为谷值阶段。

4.1 并网运行模式

首先对并网运行模式进行仿真研究，仿真结果如图10所示。

图10 并网运行模式下的仿真结果Fig.10 Simulation results of grid-connected operation mode

初始状态设置光照强度为800 W/m2，交流负荷为30 kW，直流负荷为6 kW，电动汽车1蓄电池SOC初始状态为80%，电动汽车2蓄电池SOC初始状态为60%，此时根据上面假设可知负荷处于峰值阶段，此时直流母线电压由并网接口装置进行控制稳定在800 V，由于处于峰值阶段因此根据协调控制策略可知蓄电池根据SOC比例工作在放电模式，如图10(d)所示。在0.5 s时光照强度变化至1 000 W/m2，光伏功率增加；在1.0 s时光照强度变化至700 W/m2，光伏功率减小，同时直流负荷减小至4 kW；在1.2 s时光照强度变化至900 W/m2，光伏功率增加，同时交流负载由30 kW减小至20 kW，可以看出在不同时间段内，光伏发电系统都能够实现最大功率跟踪运行，而直流电压在扰动下可以稳定运行。在1.5 s时，交流负载由20 kW减小至10 kW，此时外部负荷进入谷值阶段，光照强度变化至1 000 W/m2，此时为了减小电动充放电转换对直流电压冲击，控制电动汽车逐个切换，电动汽车1在1.6 s时先由放电运行切换至功率为15 kW的恒功率运行，然后电动汽车2在1.8 s时再切换至功率为15 kW的恒功率运行，两组蓄电池SOC逐渐增加，直流电压在潮流翻转的情况下抗扰动性能良好，仿真结果验证了有效性。

4.2 孤岛运行模式

下面对孤岛运行模式进行仿真研究，仿真结果如图11所示。

图11 孤岛运行模式下的仿真结果Fig.11 Simulation results of islanding operation mode

初始状态设置光照强度为1 000 W/m2，交流负荷为30 kW，直流负荷为6 kW，两台电动汽车蓄电池SOC初始状态均为80%，在起始阶段工作在并网模式，在1 s时切换至孤岛模式，此时并网接口装置停机，两组电动汽车对其进行供电，并且控制直流电压，可以从图中看出直流电压稳定在允许运行范围内，两组电动汽车均分直流负载的功率，在1.2 s时，光照强度变为800 W/m2，光伏发电系统的输出功率下降，此时从图中看出电动汽车输出功率增加，直流电压下降并且稳定。在2 s时，由孤岛切换至并网状态，并网接口装置控制直流电压并稳定在800 V，电动汽车切换至负荷峰值状态，并工作在放电模式。

5 结束语

针对电动汽车参与微电网辅助服务问题，提出了一种电动汽车移动储能系统参与直流微电网协调控制方法，建立了各个接口单元的数学模型，针对并网模式和孤岛模式的不同控制目标制定了并网接口装置、光伏发电单元以及电动汽车移动储能系统的控制策略，并对协调控制策略进行了仿真研究。仿真结果表明在并网运行模式负荷峰值阶段能够根据电动汽车移动储能单元SOC比例进行放电运行，最大限度对电网进行支援；在并网运行模式负荷谷值阶段能够对电动汽车进行快速恒功率充电，最大限度的利用电网进行供电，平抑负荷曲线。在孤岛运行模式下，当电网遭受故障或者计划性孤岛情况，通过切换电动汽车移动储能的控制策略，能够实现对直流母线电压稳定控制，且实现对直流负荷的功率均分，同时所提出的算法在并网转孤岛、孤岛转并网切换过程中对直流母线电压冲击很小，仿真结果验证了所提出方法的可行性和有效性。