基于前馈平衡控制的双向充放电系统的研究

（许继电源有限公司，河南 许昌 461000）

为了快速推进新能源电动汽车的推广应用，大规模的充电设施不断接入电网。为了解决电动汽车的快速电能补给问题，充电设施的额定容量不断增大，对电网硬件基础设施提出了更高的要求。由于大功率充电设施工作特性的随机性、波动性，对电网运行及负荷管控提出了新的挑战。通过对储能技术的深入研究，提出了一种基于功率前馈平衡控制策略的双向充放电系统方案，有效解决了大功率充电设施对于电网配电侧造成的瞬时冲击，同时实现了对电网运行过程中的负荷峰谷调节功能，对建设清洁、友好、智能电网具备重要意义。

1 双向充放电系统

如图1所示，该系统主要由双向AC∕DC装置、双向DC∕DC装置、储能电池、充电桩等组成。充电时，双向AC∕DC装置为直流母线提供直流电源输入，经双向DC∕DC装置功率变换后为充电桩提供功率输出，谷电时段可通过双向DC∕DC变换器对储能电池进行充电，若配电容量无法响应充电桩的大功率充电服务时可利用储能电池对直流母线向外提供能量，响应充电桩的大功率充电功能；放电阶段电动汽车或储能电池均可通过双向DC∕DC装置输出至直流母线，然后通过双向AC∕DC变流器实现并网[1-5]。

图1 双向充放电系统框图Fig.1 The block diagram of bidirectional charging and discharging system

双向AC∕DC装置采用三电平拓扑，如图2所示[6-7]。

图2 AC∕DC变流器拓扑结构图Fig.2 The topology diagram of AC∕DC rectifier

双向DC∕DC装置主拓扑如图3所示，DC∕DC变流器利用双向Buck-Boost电路拓扑，能实现双向能量传递，假设图3中箭头方向为正，当i1为正时，图2电路工作于Buck状态，系统对电池充电，当i1为负时，系统工作于Boost状态，电池给系统提供能量。

图3 DC∕DC变流器拓扑结构图Fig.3 The topology diagram of DC∕DC converter

由于电动汽车充电时间及输出功率的随机特性导致系统的负载波动无规律，AC∕DC变流器和DC∕DC变流器组成的能量双向流动系统的控制变得复杂。直流母线作为AC∕DC变流器和DC∕DC变流器能量变换装置的纽带，过大的负载波动严重影响直流母线电压的稳定性。通过对双向充放电系统的深入研究，本文提出一种基于功率前馈的实时功率平衡算法，实现直流母线电压稳定，保障双向充放电系统的可靠、稳定运行[8-14]。

2 控制方法研究

2.1 系统的能量流动特性分析

系统能量流动示意图如图4所示，直流母线单位时间t内能量变化ΔQ为

式中：P1为电网通过AC∕DC变流器与直流母线的之间能量交换的功率；P2为储能电池和直流母线之间能量交换的功率；P3为充电机为汽车充电的功率。

若满足下式：

即直流母线流进流出电能功率实时为零，即可实现直流母线电压稳定。

图4 系统能量流动图Fig.4 The diagram of system energy flow

2.2 系统控制算法

假定AC∕DC变流器输入三相交流电压、电流为

式中：UA，UB，UC分别为A，B，C相电压；IA，IB，IC依次为A，B，C相电流；UrmsA，UrmsB，UrmsC分别为A，B，C相电压有效值；IrmsA，IrmsB，IrmsC分别为A，B，C相电流有效值。

通过d-q坐标系变化得到：

式中：Ud，Uq，U0分别为三相电压在dq0坐标系下d轴，q轴和0轴的坐标值；Id，Iq，I0依次为三相电流在dq0坐标系下d轴、q轴和0轴的坐标值。

假定∅ =0°，Uq=0，变流器侧滤波电感L1的电流i1为[15-16]

式中：uiA，uiB，uiC分别为变流器A，B，C相的输出电压；i1A，i1B，i1C分别为变流器A，B，C相的输出电流；R1为电感L1的等效电阻；uCA，uCB，uCC分别为变流器A，B，C相的滤波电容电压。

简化得：

同理，网侧滤波电感L2的电流i2为

式中：i2A，i2B，i2C分别为变流器A，B，C相网侧电流；uGA，uGB，uGC分别为变流器网侧A，B，C相的电压；R2为电感L2的等效电阻。

滤波电容C的电压uC为

因此，AC∕DC变流器交流侧的状态方程为

根据dq变换得到：

进一步可得AC∕DC变流器在并网模式下交流侧的状态方程：

通过对AC∕DC变流器的数学模型分析，根据d-q旋转坐标系下的状态方程，得到系统控制回路框图[17-19]，如图5所示。

图5 系统控制框图Fig.5 The block diagram of system control

3 试验验证

通过上述理论分析，搭建仿真模型，如图6、图7所示。AC∕DC装置额定功率500 kW，开关频率3 kHz，滤波电感Lc=180μH，滤波电容200μF，滤波电感Ls=50 μH，直流母线电容15mF；DC∕DC装置额定功率50 kW，开关频率2 kHz，滤波电感L=1.80 mH，滤波电容 C=200 μF。其中 5台 DC∕DC装置并联组成250 kW单元作为电动汽车充放电功率变换单元，5台DC∕DC装置并联组成250 kW单元作为储能动力电池的功率变换单元[20-21]。

图6 系统仿真模型Fig.6 The system simulation model

图7 前馈控制回路仿真模型Fig.7 The simulation model of feedforward control loop

通过仿真，得到AC∕DC变流器三相交流电压、电流波形如图8、图9所示。

图8 三相交流电压波形Fig.8 The waveforms of three-phase AC voltage

图9 三相交流电流波形Fig.9 The waveforms of three-phase AC current

直流母线电压如图10所示。

图10 直流母线电压波形Fig.10 The waveform of DC bus voltage

在上述理论分析及仿真试验基础上，研制了一台双向充放电系统样机，如图11所示。AC∕DC装置额定功率为500 kW；双向DC∕DC模块额定功率为50 kW，共计10台，其中5台DC∕DC装置采用并联连接拓扑为电动汽车提供双向充放电服务，另外5台并联连接对储能电池进行双向充放电；动力电池采用50 kW梯次利用磷酸铁锂电池；测试车辆为比亚迪E5。

图11 样机试验平台Fig.11 The prototype test platform

测试过程中采用储能电池及电网混合供电方案作为电动汽车能量输入源，直流母线电压波形如图12所示，充电机输出功率跟随电动汽车需求实时调整，直流母线电压保持稳定。

图12 直流母线电压波形Fig.12 The waveform of DC bus voltage

电动汽车放电过时并网电流波形如图13所示。

图13 并网电流波形Fig.13 The waveforms of grid-connected current

图14 并网电压波形Fig.14 The waveforms of grid-connected voltage

4 结论

为了推动电动汽车的快速发展，大功率充电设施大规模不断接入电网，对电网系统产生了巨大的冲击。通过对电动汽车大功率充电系统工作特点的研究，提出了一种基于功率前馈平衡控制策略的双向充放电系统方案，仿真结果及样机试验结果均验证了该方案的有效性及正确性。该方案既解决了大规模充电设施接入电网后对电网配电系统造成的冲击问题，同时实现了电网运行过程中的负荷峰谷调节功能，对提高电网运行的经济性具备重要意义。