双向功率型直流充电桩互测方法及策略研究

李秉宇，常征，武光华，杜旭浩，冯胜涛，张进滨

（1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院，河北 石家庄 050000；2.国网河北省电力有限公司，河北 石家庄 050000；3.国网河北省电力有限公司邯郸供电分公司，河北 邯郸 056000；4.北京群菱能源科技有限公司，北京 100176）

在能源安全和环境污染问题的双重压力下，电动汽车得到了大力的发展[1]，市场对充电桩的需求量急剧增长。充电桩作为电动汽车运行的必要基础设施，充电过程中的可靠性与安全性至关重要，不符合规定的充电操作会对电池的使用寿命产生恶劣影响，乃至发生安全事故[2-3]。因此，应当对运行中的充电桩，对其可靠性进行定期现场巡检[4]。

考虑到充电桩庞大的数量级和分布程度，若采用传统的测试仪器，则需要在充电桩所在地完成设备的安装、调试等工作[5]，这无疑会给设备运营方带来额外损失；同时，为测试充电设施需配置相应的模拟负载，如电阻矩阵负载、真实电池负载等。采用电阻作为负载的测试方式无法体现电池的反电势特征，不能模拟电池的真实充电过程；而采用真实电池测试方法，电池电压不能连续调节，从而无法实现目前电压200～750 V DC全电压段直流充电桩测试，且浪费了大量电能，系统效率较低。

当前远程测试技术的研发也有大量报导[6-7]，主要缺陷是有车充电才能测，测试项目及参数受诸多约束，难以实现全覆盖。

文献[8]提出的充电桩检测平台覆盖了足够宽的电压范围，能够对一般充电桩进行常规测试，但其内部采用了大量测试仪表。文献[9]提出了可直接使用于充电桩所在地的检测平台，虽然将设备高度集成于集装箱内，提高了集成度，但仍需使用示波器、功率测试仪等传统测试装备，导致充电桩检测平台本身过于繁重。文献[10]提出了具有强移动性、高智能化的充电桩测试装置，虽然能响应上文中提出的便携化、智能化等测试要求，但仍无法为双向型充电设施提供检测服务。

因此，研究适用于双向功率控制的直流充电设施的新型检测技术具有显著的技术经济价值和市场前景。

本文针对此问题，提出了多个双向功率型直流充电设施互为源荷的测试方法及其控制策略：首先以两个双向功率型直流充电设施为例，提出了两台充电设施背靠背互测的电路拓扑，受测桩和负荷桩各自依据报文信息，通过控制前端变流器及闭锁后端桥臂IGBT，完成互测的同时，实现了能量的流入与对等流出；此外，为提升系统的动态响应能力，应对参数失配等问题，充电设施前端采用模糊自适应PI控制；在Matlab/Simulink环境下搭建了仿真模型，并对测试方法及其拓扑的控制策略进行了验证；最后，搭建了基于NI实时仿真器的双向功率型直流充电桩互测硬件实验平台，对互测原理的有效性和正确性进行了验证，并对互测方法的应用进行了对比分析。

1 双向型直流充电桩互测技术原理

当前主流双向型直流充电桩后端拓扑一类为隔离双向全桥DC/DC变换，一类为Buck-Boost型DC/DC变换。前者可实现软开关控制、器件应力小、工作频率高，但器件较多、控制较复杂、成本较高[11]；后者控制简单、器件较少、成本低，但器件应力高、工作频率受限[12-13]。

综合考虑成本、可靠性、系统适应性等指标，本文针对图1所示的后端为Buck-Boost型DC/DC变换双向型直流充电机进行互测方法工作原理说明，提出的直流充电桩互测方法原理拓扑如图2所示。

图1 充电机后端为Buck-Boost型DC/DC变换Fig.1 The rear end of charger is Buck-Boost DC/DC converter

图2 充电桩背靠背互测原理拓扑Fig.2 Topology of back-to-back mutual measurement principle of charging pile

由图2可知，两个直流充电机直流输出侧相互连接，一个充电桩为受测桩，一个充电桩为模拟负荷。受测桩按对电池负载充电控制策略运行；模拟负荷桩按模拟电池受电后端电压变化特征及将其吸收的有功功率逆变至电网的控制策略运行。

受测充电桩前端PWM整流器基于给定电压，控制整流直流输出电压，后端Buck-Boost斩波器工作于降压斩波模式，下桥臂的升压IGBT闭锁，根据模拟电池管理系统（battery management system，BMS）的报文系统上传的信息按定电流控制；模拟负荷桩后端Buck-Boost斩波器的上下桥臂IGBT全部闭锁，前端PWM整流器基于模拟的电池电压控制整流器直流输出电压，并将其从受测充电桩吸纳的有功功率反馈给电网。

完成测试后，受测桩改为模拟负荷桩，而原来设置为模拟负荷桩改为受测桩，这样便可以快速完成充电设施的互测。为使分析过程更加简洁，将图2主电路简化为图3所示的等效电路。

图3 互测等效电路Fig.3 Mutual test equivalent circuit

本文提出的测试方法有如下特点：

1）充电桩空闲待机状态下自动测试，不影响用户正常充电、无需人为现场干预，测试效率高；

2）测试数据关联多元信息（季节、温度等），便于长期有序积累，形成充电设施运维的大数据；

3）测试系统可远程监控，发现问题及时预警，生成检修方案，提高设备可用率。

4）远程操作性。互测方法可支撑远程自动检测；现有测试方法仅支持现场操作。

5）测试功率反馈电网，测试能效高。

2 双向型直流充电桩互测技术控制策略

整个测试系统分为受测桩和负荷桩两部分，分别采用不同的控制策略。

2.1 受测桩控制策略

由图2可知，受测桩控制策略包含两部分：PWM整流器和Buck-Boost双向DC/DC变换，以下分别分析其控制策略。

2.1.1 PWM整流器

前端PWM整流器基于给定电压控制整流直流输出电压，控制框图见图4所示，其中上标“*”代表给定变量。

图4 受测桩整流器控制框图Fig.4 Control block diagram of tested pile rectifier

图4中，整流器采用有功无功电流解耦控制。电流解耦控制可以更直观地对充电过程中的有功、无功功率分别进行控制[14]。电流给定值与实际值的偏差Δid，Δiq经过模糊自适应PI控制器再经过d，q，0轴到a，b，c轴的坐标变换得到三相控制信号Sa，Sb，Sc，与三角载波比较产生相位相差120°的SPWM波，从而控制逆变电路工作。

为提高系统鲁棒性、应对参数失配等问题，本文将传统PI控制与模糊自适应控制结合，提出模糊自适应PI控制，结构如图5所示。

图5 模糊自适应PI控制结构Fig.5 Fuzzy adaptive PI control structure

如图5所示，取常规方案的PI参数作为基准值，以实时误差e和误差变化率ec作为模糊自适应PI控制的输入，根据预设的规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表，在基准值上进行实时调整，既保证了控制策略的稳定性，又提升了其动态响应能力。模糊规则表如表1、表2所示。

表1 KP的模糊规则表Tab.1 Fuzzy rule table of KP

表2 Ki的模糊规则表Tab.2 Fuzzy rule table of Ki

将e，ec定义为模糊集上的论域：[-3，3]，模糊子集为{NB（负大），NM（负中），NS（负小），ZO（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）}。如图6所示，以e为例，除模糊子集NB，PB分别采用Z形、S形隶属函数，其余模糊子集均采用三角形隶属函数。

图6 e的隶属函数Fig.6 Degree membership of e

根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理设计PI参数的模糊矩阵表，查得修正参数代入下式进行计算，即可实现对PI参数的在线自我修正。

2.1.2 Buck-Boost斩波器

受测桩后端Buck-Boost斩波器工作于降压斩波模式，下桥臂的升压IGBT闭锁，根据模拟BMS报文系统上传的信息按定电流控制，控制见图7所示。

图7 受测桩降压斩波控制Fig.7 Buck chopper control of tested pile

由图7可知，给定电流与实际电流的偏差经过PI调节器，其值与三角波进行比较，从而产生PWM波控制斩波器的导通和关断。

2.2 负载桩策略

模拟负荷桩后端Buck-Boost斩波器的上下桥臂IGBT全部闭锁，前端PWM逆变器基于模拟的电池电压控制逆变器直流母线电压，并将吸收的有功功率反馈至交流电网，在稳态情况下，电流给定值，其控制策略和受测桩一致，如图5所示。

3 仿真研究

3.1 仿真参数选取

稳态条件下，忽略PWM变流器交流侧电阻，其交流侧矢量关系如图8所示。其中，E为交流电网电动势矢量，U为PWM变换器交流侧电压矢量，UL为交流侧电感电压矢量，I为交流侧电流矢量。为不失一般性，矢量U端点位于圆轨迹M点处。

图8 变流器交流侧矢量关系Fig.8 AC side vector relation of converter

设变流器交流侧功率因数角为δ，针对图8中的三角形O1OM，则θ=90°-δ，由余弦定理可得

式中：L为直流侧滤波电感；Em为电网相电压的峰值；Im为交流侧基波相电流峰值。

对于直流侧电容C的选取，应在保证系统直流侧电压波动不超过限制的情况下做折中处理，尽量保证电容量小一点。在工程经验中，通常借助能量守恒原理，通过开关有功损耗来计算电容量大小：

式中：η为补偿能量系数，文中取0.9；IN为额定相电流；k为直流侧电压波动系数，文中取0.05。

后端Buck-Boost斩波器通过输出电压及电感电流的纹波设计可得：

式中：L为斩波器电感；Uin为输入电压；Dy为占空比；ΔiL为电感电流纹波；f为开关频率；C为斩波器电容；Io为输出电流；ΔUo为输出电压纹波。

在Matlab仿真环境下，仿真参数设置为：三相电源电压频率为50 Hz，线电压有效值为380 V，充电桩输出功率9 kW。同时，根据上述公式，计算可得：整流电路交流侧电感3.6 mH，直流输出侧平波电感3.6 mH，直流母线电容5 mF，直流输出侧稳压电容10 mF。

3.2 负载桩模拟电池端电压DC 500 V

负荷桩模拟电压为500 V的电池，即模拟桩直流侧电压给定值U*dc=500 V，控制待测充电桩输出电流维持在18 A。

交流电网电压、电流波形仿真结果如图9所示。

图9 交流电压电流波形Fig.9 AC voltage current waveforms

图9波形分别为交流电网电压Ua、电流Ia、模拟负荷变流器入网电流Ia0波形，从仿真结果可以看出，电流Ia，Ia0接近于正弦波，Ia与Ua同相位时，待测充电桩整流器运行于单位功率因数；Ia0与Ua相位相差180°时，模拟负荷变流器工作于单位功率因数逆变状态，将电能回馈给电网。

端电压为500 V DC电池模拟仿真结果如图10所示。待测充电桩输出电压Udc维持在500 V，充电电流Io维持在18 A，输出功率Po为9 kW，模拟负荷充电桩输出功率Pb为-9 kW，无功功率为0，即实现了待测充电桩的输出功率全部回馈电网。

图10 端电压为500 V DC电池模拟仿真图Fig.10 Simulation diagram of 500 V DC battery with terminal voltage

4 实验验证

针对本文提出的双向功率型直流充电桩互测方法，搭建了如图11所示的实验验证系统原理图。

图11 实验验证系统原理图Fig.11 The schematic of testing verify system

图11中，系统主电路电源由Chroma公司生产的电网模拟器（型号61860）提供，被测桩和负荷模拟桩由NI实时仿真器PXIe-1082通过实时仿真提供充放电控制和数据分析，测试点为两个PWM变流器的交流接入点。测量采用福禄克Topaz2000电能质量分析仪和横河电机示波记录仪DL850。测试点并网实测数据如表3所示。

表3 测试点并网实测数据Tab.3 Grid connection measured data of test points

图12、图13分别为被测桩、负荷模拟桩接入系统测试点电压、电流波形。

图12 被测桩接入系统测试点电压电流波形Fig.12 The voltage and current waveforms of the tested piles when connected to system the measuring point

由图12、图13波形可知，被测桩和负荷模拟桩互测时均能达到高功率因数接入系统运行。

表4为被测桩、负荷模拟桩等充电设施充电功率、回馈功率、损耗功率的变化及对应效率实测数据。

表4 充电设施自测系统效率Tab.4 Efficiency of self-testing system for the charging facilities

图14为系统效率随充电功率变化曲线图，可见，随着充电功率增加，互测系统的效率是提升的。

图14 系统效率随充电功率变化曲线图Fig.14 Relationship curve between system efficiency and charging power

5 结论

研究双向功率控制的直流充电设施的新型检测技术具有显著的技术经济价值和市场前景。本文提出了适用于多个双向功率型直流充电设施互为源荷的测试方法及其控制策略：

1）受测充电桩前端PWM整流器基于给定电压控制整流直流输出电压，后端Buck-Boost斩波器工作于降压斩波模式，下桥臂的升压IGBT闭锁，根据模拟BMS报文系统上传的信息按定电流控制。

2）模拟负荷桩后端Buck-Boost斩波器的上下桥臂IGBT全部闭锁，前端PWM整流器基于模拟的电池电压控制整流器直流输出电压，并将吸收的有功功率反馈至交流电网。

3）该测试方法及控制策略能有效支撑远程自动检测，同时最大程度提升了充电设施灵活充电、电网支撑的可用性。