V2G模式下的电动汽车充放电控制思路探究与讨论

呼延洪

摘 要：电动汽车属于动态负荷，充电行为的随机性较强，对电网具有较大影响。当电动汽车大规模无序充电的过程中，在很大程度上降低了电网运行的安全可靠性。因此，人们要积极探索科学有效的控制措施，控制电动汽车有序充放电，改善相应区域电网的负荷特性，确保电网运行的稳定性、经济性。基于此，本文首先对V2G技术进行了阐述，然后分析了V2G双向充放电装置的基本结构，提出相应的控制策略，最后深入探究V2G控制系统的设计。

关键词：V2G模式 电动汽车 充放电控制思路 探究

电动汽车在安全行驶过程中，需要电池提供充足的电能，而电池是一种储能元件，能够从系统吸取电能，并在电网负荷处于高峰的状态下，可以借助V2G技术将能量安全输送给系统。因此，在V2G模式下，主动探究电动汽车充放电控制思路，创新其控制策略，有效引導用户有序进行电动汽车的充放电，对提高电网运行的安全稳定性、接纳可再生能源的能力具有十分重大的现实意义。

1 V2G技术阐述

1.1 概念

V2G技术主要是借助电气、计算机、通信等多个学科的专业知识和技能，实现电动汽车和电网互动。当电动汽车为空闲状态时，借助相应的蓄电池，有效储存能量，在智能电网的联通下完成削峰填谷，促进电动汽车有序充放电。

基于V2G模式下电动汽车电池作为储能单元，当其电量低于电网负荷时，借助电网能量流动，为电动汽车补充电量，促进其安全稳定运行。当电网负荷较高时，电动汽车处于空闲状态，借助相关电子设备反馈将电能有效输送给电网。当电动汽车不运行时和电网有效连接，当其达到相应数量的情况下，可以将这些电动汽车的蓄电池当作分布式储能单位，完成电网的基础服务。电动汽车和电网之间，借助多种方式进行联通，并在相对应的连接系统平台内，电能可以向电网有效转换部分火力发电、风能发电等部分可再生新能源的转换，促进两者之间的能量有效流动和利用[1]。电动汽车用户可以在电价低时，从电网买电，电价高时结合实际情况向电网售电，获得相应的经济收益。

1.2 实现方式

（1）集中式V2G。通常情况下，电动汽车在大型场合的数量较多。可以将其看作一个群体，并结合当地电网运行的实际情况，对电量的需求，合理调度场合类的电动汽车，选择适宜的调度方式，对于各类汽车进行有序充放电，合理配置电能，有效缓解负荷增加的不良现象，提高电能利用率。当前较多企业应用了集中式V2G系统，将充电桩合理布置在大规模区域中心，有利于电动汽车有效完成充放电。相关学者对V2G技术进行深入研究，构建电网和电动汽车的应用平台，通过该平台发送调度信号，提高整个区域范围内电动汽车调度效果。（2）自治式V2G。其实现方法主要是借助连接设备，将一辆电动汽车和电网进行联通。电动汽车灵活性较高，在不同位置都能够停放，数量多且分散。在夜间设置V2G的充电器，结合电网电能供给需求，进行夜间电网互联、电能互补，有效突破时间和空间的局限性，但是该种实现方式需要两者具有一定的智能程序和技术[2]。（3）基于微网实现方式。我国科学技术迅速发展，智能电网不断完善，增加了微电网频率，借助分布式电源等不同类型的平台，形成小型配电系统，具有自动控制、保护管理等多项功能。结合微电网和V2G的特点，将电动汽车当作储能设备有效连接微电网。4.基于更换电池的V2G实现方式。电动汽车换电站中包含较多更换的电磁，在确保部分电池电量充足，满足用户的换电需求，能够集中利用其他电池，优化电网运行，形成大容量储能系统，提高电网的基础性服务。该种实现方式无需向电网接入电动汽车，对电动汽车的正常行驶不会产生任何影响，具有广阔的应用前景。

2 V2G双向充放电装置结构

充放电装置在V2G系统中具有十分重要的作用，是核心装置，能够保持能量能够顺利地双向流动，进一步保障信息能够双向发送、接收，高效地完成充放电动作，保证系统处于安全稳定的运行状态。其中双向变换器在实际应用中，能够更加精准控制电池的整体过程，在电动汽车充放电的过程中起到良好的调节作用，延长电池的使用周期。

电动汽车的蓄电池存储能源，可以通过单级式、双级式V2G变换器交换能量。系统在车载动力不同时，发出相对应的指令进行正常工作。如，充电的过程中，系统形成直流电，抵消谐波电流，实现电流正弦化；放电的过程中，系统产生一定的电压，借助变换器进行针对性处理后并网，完成电动汽车电池放电。

2.1 AC-DC变换器拓扑结构

电动汽车在V2G系统中进行充放电，经历过程存在一定差异性，而AC-DC变换器具有良好的应用效果，能够满足各项功能需求。选用双向AC-DC变换电路的过程中，综合分析电路设计功能是否符合要求，并考虑相应控制措施涉及的相关问题。AC-DC电路需要完成的功能主要体现在以下几个方面：电动汽车充电中，在AC-DC变换电路中经过电网侧电压时，将其有效转变为直流电压，稳定性和功率因数较高；电动汽车放电中，将蓄电池直流电有效逆变为交流电，并且AC-DC变换电路能够谐波电流，最大限度降低对电网稳定运行产生的不良影响。

三相电压型变换器结构简单，操作简便，运行安全稳定性强，三相电流型变换器应用中实现电感更大，但是成本高，运行中容易受到多方面因素的影响，安全隐患多，并且对信号反馈相对缓慢。因此，本研究中选择三相电压型变换器，提高设备操作质量和效率，有利于电动汽车随意转变充放电状态，并保持充放电的有效性与可靠性[3]。

2.2 DC-DC变换器拓扑结构

DC-DC变换器拓扑结构在实际应用中能够有效控制电动汽车的充放电过程。因此，相关人员在电动汽车充放电控制过程中应当深入研究DC-DC变换器拓扑结构，发挥其应用优势，提高该结构应用效果。DC-DC变换器中主要包含隔离、非隔离这两种不同的类型，在使用过程中难易程度有所不同，前者相对繁杂，成本高，并对大多数电动汽车而言增加其负重；后者在实际应用中，控制驱动操作便捷，半桥结构简单，涉及较少的器件，控制策略实现难度较低，转换效率高。

3 电动汽车有序充放电控制策略

3.1 定时模式

结合电动汽车的实际情况进行分析，平均每天有90%的时间为空闲状态，为V2G定时充电模式策略的实现提供了可能。该策略实施的过程中，主要将可统一调度的电动汽车，在峰荷时段、谷荷时段分别进行集中放电、充电，有效实现削峰填谷的目的。定时模式在实际应用中，需要相关人员结合实际情况，按照各项要求，预先设定电动汽车充放电时间，并综合判定电动汽车是否处于充电时段，并分析车载电池能否达到充电要求，当其满足各项要求的情况下，及时发出指令，传送给动力电池有序完成充放电。

3.2 负荷整形模式

该控制策略在实际应用过程中，需要研究人员根据实际情况，准确计算负荷曲线的平均值，并以此为基础，确定基准负荷功率，V2G充电桩以可变功率高效完成充放电。在电动汽车充放电的过程中，综合判断其实际情况，可以实时计算负荷功率，将其和预先设定的数值进行对比分析，两者的差值能够有效體现出充放电状态。如，预先设定基准负荷功率，通过全面检测，并准确计算负荷功率和设定值的差值为零时，表明电动汽车未进行充放电操作，反之，代表其处于充放电状态[4]。

3.3 定峰模式

该控制策略应用中，研究人员应当明确边界条件，以负荷量为基础，并基于V2G系统，实现电动汽车集中式充放电，达到削峰填谷的目的，在此过程中，通过变压器具体容量决定负荷量，合理设定具体参量，当其大于变压器额定容量80%时，代表电动汽车处于放电状态；小于其70%时，处于充电状态；在变压器额定容量的70%-80%时，表明其不参与负荷曲线的调整。另外，研究人员合理设定上下边界条件，针对性检测负荷曲线所在区间，综合判定车载电池的实际情况，确保其符合充放电条件的情况下，向其发出相应的指令。

3.4 V2G和储能配合模式

基于负荷整形模式策略，将负荷功率和设定值的差值（ΔP1）超出电动汽车充放电功率范围的部分，表示为ΔP2，借助储能电池消纳该超出的部分，进一步调整电网负荷曲线，获得良好的削峰填谷效果。该控制策略的流程（如图1所示），V2G充电桩和储能电池的充放电功率分别表示为PEV、PBA。该控制策略在实际应用中，主要是基于负荷整形模式，增加储能电池，通过补充ΔP2而实现。

4 V2G模式下的电动汽车充放电控制系统设计

4.1 整体V2G控制系统

该控制系统中包含电压源型逆变器控制部分、DC-DC模块，测试电网电压、电流等，并合理设置相关参数，对电网和电动汽车的能量转换进行针对性控制。在不同电网的运行条件下，需要3个电压、电流信号，需要设计人员详细分析电网的实际状况，获得电压、电流信号形式。VIS控制模块主要借助锁相环，实时跟进相关电压、电流等信号，获取各项实时数据，如幅值、频率等，并针对性调节回路，对有功和无功功率等各项参数进行全面分析，并研究这些参数生成相应的调制函数，从而获得脉冲宽度调制信号。

4.2 变换器控制设计

AC-DC双向变换器在实际应用过程中，基于空间矢量，借助级联获得良好的控制效果。借助电压外环针对性控制整个系统的电压，进一步保障系统运行的安全稳定性。例如，电压由电压环控制，生成参考电流，合理调节系统运行状态，并通过电压环、电流环之间的互相作用，有效控制V2G模式下的电动汽车充放电控制系统中的相关参数。在操作中，结合有功和无功功率参数，明确基准电流，输出功率受到相关因素的影响，具有不同的变化，借助电流、电压的控制，有效调节整体功率。如，有功功率发生一定程度的变化，就会获得相对应的基准电流，从而对无功功率的参数进行控制和改变，获取所需的基准电流[5]。

利用电流内环、电压外环对DC-DC变换器实现双闭环控制，提高控制效果，促进整个系统稳定运行。在实际操作中，对直流母线电压、直流母线电压参数进行对比分析，通过PI调节后，与电池侧实际电流进行比较，获得相应结果通过比例积分环节调节，生成脉宽调制信号，从而对DC-DC双向变换器具有良好的控制效果。

4.3 锁相环设计

锁相环设计过程中，电动汽车馈电时，读取电网电压的相应参数，进行并网。在不同电网中，锁相环以正交正弦信号，对比系统内的信号，获得电网电压参数。因此，当电动汽车和不同电网进行联通时，发聩情况存在一定差异。如，三相电网，借助Clark变换获取信号；单相电网，借助滤波器，信号会有所延迟。因此，单相电网实时跟进情况和次数会在一定程度上有所降低。因此，整个系统设计过程中，优化锁相环模块，便于系统运行中，电压信号通过设计的正交信号共同借助Clark进行优化，获得α-β信号，并进行实际操作进行坐标转换，获得相位差，具有相关信息，并利用计算方式，获得结果参数，当作积分环节的输入，从而计算出电压相位角θg。

4.4 基准电流

电动汽车充放电的过程中，合理调节相关有功功率（Pref）和无功功率（Qref），产生相对应的正负值，同时进行充放电、能量转换的双重功能。当整个系统稳定运行的过程中，锁相环设计能够有效调节q轴内的分量，实现uq为零，并给出d轴的ud，之后通过变换，获得基准电流，计算过程为：

4.5 传递函数选取

在系统实际运行中的传入信号uq、电网电压各项参数计算出电压相位角θg等。当传入信号为零时，d轴分量、电网电压矢量相位一致，有效锁定相位。同时，在系统运行中，能够实现q轴的分量锁定，就可以有效实现相位锁定。从而在该情况下，传递函数输出为电网电压的频率值ω，从而借助一阶的比例积分控制器，传递函数H（s）为：

公式中，KP代表比例增益；

KI代表积分增益。

获得所需电网电压的频率值之后，通过积分环节获得电压相位角。

5 结语

本文基于V2G模式，深入探讨了电动汽车充放电控制策略，详细分析了V2G技术的概念和实现方式，充分发挥其重要作用，以变换器作为整个控制系统的中枢、负载功能，并起到功率双向流动的作用。但是，V2G变换器在实际应用中其运行方式相对复杂，对其进行研究，有利于V2G变换器不断进步和发展，实现V2G变换器双向放电策略，有效控制电动汽车有序进行充放电。

参考文献：

[1]周静雯，黄勇，来春庆，等. 基于V2G技术的电动汽车充放电系统拓扑结构及控制策略研究[J]. 湖北民族大学学报（自然科学版），2023，41（2）：232-239.

[2]王力立. 基于V2G的电动汽车双电力接口充电桩[J]. 电力设备管理，2022（16）：102-104.

[3]冯万富，刘姝，董鹤楠，等. 满足配电网平衡的电动汽车充放电控制策略研究[J]. 沈阳工程学院学报（自然科学版），2022，18（4）：36-42.

[4]鲍振铎. 基于V2G模式下的电动汽车充放电控制方式研究[D]. 宁夏：宁夏大学，2022.

[5]张博文，李练兵，景睿雄. 基于多目标优化的电动汽车V2G充放电控制策略研究[J]. 光源与照明，2022（9）：135-137.