V2G充放电机的设计及其仿真.docx

充放电机的设计及其仿真*v2g王传晓，赵艳雷，闫静静，冯善胜，谭成勋( 山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049)摘要: 随着电动汽车的广泛应用和智能电网的发展，电动汽车与电网互动( vehicle to grid，简称 v2g) 技术变得越来越重要。充放电机作为电网和电动汽车的接口，对于实现两者间的能量双向流动至关重要。研究并设计 了基于四象限 ac / dc 变流器和双向 dc / dc 变流器的 v2g 充放电机，用以控制电网与电动汽车蓄电池间的能 量流动; ac / dc 变流器利用瞬时功率理论和电流模式闭环控制，实现了其与电网之间有功功率和无功功率的解 耦控制; dc / dc 变流器分别采用基于蓄电池充电电压、充电电流和基于中间直流母线电压的闭环控制，对应实现 了蓄电池充电时的多段模式和放电时的功率调节。利用 matlab / simulink 系统全面地仿真了 v2g 充放电的 多种工况，仿真结果表明，该充电机能实现 v2g 所要求的相应功能，实现能量的双向流动满足用户的需求。 关键词: v2g; 充放电机; 仿真模型中图分类号: tm921 0文献标识码: a文章编号: 1001 1390( 2014) 17 0099 08the design and simulation of v2g charging discharging devicewang chuan xiao，zhao yan lei，yan jing jing，feng shan sheng，tan cheng xun( school of electrical and electronic engineering，shandong university of technology，zibo 255049，shandong，china)abstract: with the wide application of electric vehicles and the development of smart grid，v2g ( vehicle to grid)technology is becoming more and more important as the interface between the electric vehicles and smart grid，the charging discharging device is of great importance in the energy bi directional flow the v2g charging dischar- ging device has been designed based on four quadrant ac / dc converter and bi directional dc / dc converter in this paper，so as to control the energy flow between the power grid and the automobile storage battery the instantane- ous power theory and the current closed loop control mode are adopted by ac / dc converter to achieve the decou- pling control of active and reactive power dc / dc converter will realize the multi section mode while charging and the power regulation while discharging by using double closed loop control based on charging voltage，charging cur- rent and intermediate dc bus voltage various working conditions of v2g charging discharging device are simulated in matlab / simulink environment the results of simulation show that the charger can achieve corresponding functions of v2g，and realize the energy bi directional flow so as to meet the needs of userskey words: v2g，charging discharging device，simulation model电网的运行1。v2g 技术对智能电网的发展和安全运行具有重要意义。充放电机是实现 v2g 技术的关键设备。v2g 充 放电机需要实现电能的双向流动，才 能 实 现 电 动 汽车和电网之间的能量双向 交 换，实 现 调 频、调 峰、应急电源等功能2 3。目前大量使用的大功率充放电机多采用三相相 控或不控整流方式，网侧电流谐波含量高，并且大多引 言随着智能电 网 的建设和电动汽车的推广，一 种 新的技 术 电动汽车与智能电网双向互动技术 ( v2g) 应运而生。v2g 技术中电动汽车不再单纯作 为用电单位，还可以将其蓄电池作为储能单 元 参 与0* 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 50807034) ; 山东省自然科学基金资助项目( z2011eq025) 。 99 第 51 卷 第 17 期2014 年 9 月 10 日电测与仪表electrical measurement instrumentationvol 51 no 17sep 10，2014无法向电网回馈电能4。本文设计了一种采用 pwm整流的充放 电 机，提出基于瞬时功率理论的 整 流 器 控制策略，达到了有功功率和无功功率可控 且 能 量 可双向流动的目的。并对电动汽车电池的充放电控 制策略进 行 研 究，实 现 蓄 电 池 的安全快速充电。该 充放电机电路结构相对简单，具有高效率和 高 功 率 密度的特 点。最终通过仿真模 型 进 行 了 验 证，充 放 电机可实现能量的双向流动，满足 v2g 技术要求。器将电能反馈给电网。1 1ac / dc 变流器ac / dc 变流 器 采用三相电压型整流器拓扑结 构。三相整流器通过隔离变压器与电网相连。三个桥臂共有六只开关管 s1 s6 和 各 自 反 并 联 二 极 管 d1 d6 组成。三相整流器主要功能是负责与电网的 能量交换。根据 基尔霍夫电压定律 建 立 回 路 方 程，并 整 理得:1充放电机的电路结构与原理系统整体结 构 如 图 1，该 系 统 可 分 为 两 个 部 分， ia van von ia ea d i =1 v i 1 e 分别是 ac / dc 变流器和 dc / dc 变流器。ac / dc 变流器由滤波电路、三相 pwm 整流电路组成。( 1) vdt b ic bn on l b ic b l l vcn von ec 式中 vdc 是直流母线电容电压; l 是 滤 波 电 感; 是回路等效电阻; ia 、ib 、ic 是电感电流; ea 、eb 、ec 是 除以倍数后的电网电压。为了方便表示电压 van 、vbn 、vcn 与 母 线 电 容 电 压 vdc 的关系，定义开关函数 sk 为:1s1，3，5 导通( k = a，b，c)( 2)sk =0s2，4，6 导通图 1充放电机的电路结构图fig 1the circuit structure diagram of charging discharging device则电压 v、v 、v可以表示为:anbn cn v s ana v = s v( 3)b dcbn vcn sc 充放电机充电时由 ac / dc 变流器通过隔离变 压器从电网 吸 取 能 量，保持输出侧直流母线 电 压 不 变。而 dc / dc 变 流 器 根据充电要求控制电池两端 的电压或充电电流。当充放电机放电时通过 dc / dc 变流器升压，再 由 ac / dc 变流器逆变为交流电，最后通过隔离变压带入整理，并对各变量进行 p q 分解得到:dt iqipl sqspipiq epd11=v( 4)dclleq只引入 瞬 时 电 流 扰 动 i p 、i q 和开关函数扰动 s p 、s q ，得小信号等效模型:图 2双向 pwm ac / dc 变流器控制框图fig 2the control block diagram of bi directional pwm ac / dc converter 100 第 51 卷 第 17 期2014 年 9 月 10 日电测与仪表electrical measurement instrumentationvol 51 no 17sep 10，2014i ps pi pdt i =l svdc l igvd ( s) :gvd ( s)d1( 5)v ( s) v iqqq=o=d ( s)l c s2 + l1 s + 1上式就是储 能 变 流 器基于瞬时功率理论 p q分解的小信号数学模型。根据模型建立如图 2 所示。由图 2 可知，当充放电机工作在充电状态时，采 用基于网侧电压的电压定向控制。电压定向控制采 用的是电压 外 环、网侧电流内环的电压电流 双 闭 环 结构，控制框图如图 2 所示。电压外环负责维持中间 直流母线电容电压的稳定，电压外环的输出 值 作 为 电流内环的瞬时有功电流给定值。设置瞬时无功电 流给定值为 0，通过电流内环进行瞬时电流控制。实 现网侧电流运行于单位功率因数。并可保持输出侧 直流母线电压稳定，作为后级 dc / dc 变流器对蓄电 池充电的电源。当充放电机 工 作在放电状态时，采 用 电 流 双 闭 环控制策略。如图 2 所示，此时三相整流器不负责维 持直流母线的电压稳定，而是负责将能量回馈电网， 根据要求输出的有功功率和无功功率大小，在 充 放 电机允许最大充放电流范围内，给 出 瞬 时 有 功 电 流 给定值和瞬时无功电流给定值，作 为 电 流 双 闭 环 的 给定 值。 使 三 相 整流器工作在逆变状 态，将 后 级 dc / dc 变流器传来的电能回馈给电网。1 2dc / dc 变流器dc / dc 变流器是双向半桥变换器结构。负责将 整流器输出的直流电变换为电池充电所需的直流电 或维持直流母线的电容电压。在充放电机充电时，s8 保持关断，控制 s7 工作在 开关状态，相当于 buck 电路。负责将前级 ac / dc 变 流器输出的直流电变换为电池充电所需的直流电。根据状态空间平均法进行建模，得状态空间方程。加入扰动得小信号模型，可以得出开关管导通时间占vi( s) = 01 11( 8)式中 l1 为 dc / dc 变流器储能电感; c1 为 dc / dc 变 流器输出滤波电感; d 为每个开关周期开关管开通时 间占 空 比; d 为每个开关周期开关管关断时 间 占 空 比; 1 为充电时充放电机输出端的等效电阻。电动汽车所 用 动 力 电 池，目前大多为磷酸铁锂 5动力电池 ，根据其充电特性，采用三段式充电。充电过程中先使用大电流恒流充电，再恒压充电，最后6 7涓流充电至充电完毕。为实现蓄电 池的三段式充电，根据要求采用如 图 3 所示的电压外环电流内环的控制策略。充电开 始时先采用设定的大电流对电池恒流充电，可 缩 短 充电时间。这时电池两端电压远达不到设定的电压 值，电压环输出饱和，电压环输出限幅值即电流环给 定值。充电机在电流内环 pi 调节的作用下进行恒流 充电。电池两端电压逐渐上升，当电池两端电压达 到设定的 电 压 的 时 候。稍 有 超 调，则 退 出 饱 和。电 压外环的输出作为电流内环的给定，完 成 了 恒 流 充 电到恒压充电的转变。实现了恒压充电。最后以涓 流充电直到充电完成。在充放电机 放 电 时，s7 保 持 关 断，控 制 s8 工 作 在开关状态，相当于 boost 电路。dc / dc 变流器负 责维持中间直流母线电容的电压，为前级 ac / dc 变 流器提供电能。利用状态空 间平均法进行建模，得 状 态 空 间 方 程。加入 扰 动 得 小 信 号 模 型，可以得出输入电压 vi ( s)到输出电压 vo ( s) 的传递函数 gvi ( s):空比 d ( s) 到电感电流 il ( s) 的传递函数 gld ( s):i l ( s)gld ( s) =1d ( s)v ( s) = 0ivi 1 ( c1 s +)( 6)=l112l1 c1 s + s + 11输入电压 vi ( s) 到 输 出 电 压 vo ( s) 的 传 递 函 数gvi ( s) :vo ( s) d gvi ( s) = ( 7)=v ( s)l c s2 + l1 s + 1图 3dc / dc 部分充电控制框图fig 3the charging control block diagram ofdc / dc converterd ( s) = 0i1 11占空 比 d ( s) 到 输 出 电 压 vo ( s) 的 传 递 函 数 101 第 51 卷 第 17 期2014 年 9 月 10 日电测与仪表electrical measurement instrumentationvol 51 no 17sep 10，2014vo ( s)有效值; t2 为三 相 整 流 器 igbt 开 关 周 期; imax 为 最大允许谐波电流脉动值; 为电网交流电角频率。根 据计算和仿真结果，选取网侧电感值为 4mh。2 2直流母线电容设计主电路 中 的 直流母线电容连接前后两个变流 器，直流母线电容的取值不仅要考虑限制 直 流 电 压 波动，又要考虑系统响应的快 速 跟 随 性9。则 直 流 母线电容的范围为:dgvi ( s) = v ( s)l c s2 + l1 s + d2d ( s) = 0i1 12( 9)的传递函数:占空比 d ( s) 到输出电压 vo ( s)vo ( s)d ( s)gvd ( s) =vi( s) = 0l1 svi ( 1 2 )2 d e m iacmax =( 10)( 12)l1 cdc 22vdc umaxl1 c1 s + s + d2式中 l1 为 dc / dc 电路储能电感; c1 为 dc / dc 变流 器输出滤波电感; d 为每个开关周期开关管导通时间 占空比; d为每个周期开关管关断时间占空比; 2 放 电时 dc / dc 变流器输出端的等效电阻。放电控制策略如图 4 所示。直流母线电容电压 采样反馈值与给定电压比较后，经过 pi 调节得到占 空比，输出 pwm 波，控 制 开 关 管 s8 的 通 断，使 输 出 电压稳定在设定值。式中 em 为交流电压有效值; iacmax 为网侧最大电流有效值; umax 为允许直流母线电压波动最大值。根据 计算和仿真结果，选取直流母线电容值为 1mf。2 3dc / dc 变流器储能电感的设计dc / dc 变流器的两种工 作状态分别等效于 buck 降压电路和 boost 升压电路，因此，电路所需 电感必须满足两种不同工作模式的储能要求10 11，以 保证功率开关在 pwm 脉冲控制下，储能电感能够给 负载传递足够的能量。则电感取值根据式( 13) 计算:vdc t1l1 4i( 13)lmax式中 vdc 为整流器输出直流母线电压; t1 为开关管开关周 期; ilmax 为流经电感的电流最大允 许 波 动 值。根据计算和仿真结果，选取储能电感值为 10mh。3仿真结果与分析充放 电 机 模 型 采 用 matlab / simulink 软 件 搭图 4dc / dc 部分放电控制框图fig 4the discharging control block diagram of dc / dc converter过度充 放 电 和 频繁深度放电对电池会造成损 害，充放电机随时检测电池的荷电状态，使电池组在 安全范围内充 放 电，将 蓄 电 池 组 的 soc 值 划 分 为 三 个区域，将介于放电警戒荷电状态 sa 与充电警戒荷 电状态 sb 之间的区域设为安全容量区域 n，荷电状 态低于 sa 为警戒放电区域，荷电状态高于 sb 为警戒 充电区域。根据电网指令和驾 驶 员 设 定，充 放 电 机 控制蓄电池组在设定安全容量区域内充放电。2主电路参数的设计2 1网侧电感的选取网侧电感 的 设 计不仅要考虑抑制谐波的能力， 还要考虑瞬态电流跟踪要求8。满足要求的三相整 流器网侧电感取值范围为:建，三相桥式整流器采用三相整流器模块，dc / dc 变流器的开关 管 使 用 igbt 开 关 模 块 搭 建。控 制 部 分 主要分 为 整 流 控 制、逆 变 控 制、buck 充 电 控 制 和 boost 放电控制四个模式。不同的模块在工作时分 别控制充放电机各个开关管。整体电路图如图 5 所 示，系统仿真参数如表 1 所示。表 1系统仿真参数tab 1system simulation parameters项目参数网侧滤波电感网侧串联电阻 中间直流母线电容dc / dc 变流器电感 l4mh0 41mf10mh600f20khz20khz1dc / dc 变流器电容 c1三相整流器开关频率dc / dc 部分开关频率( 2vdc 3em )em t22 vdc l2 ( 11)2vdc imax3im 式中 vdc 为整流器输出直流母线电压; em 为电网电压 102 第 51 卷 第 17 期2014 年 9 月 10 日电测与仪表electrical measurement instrumentationvol 51 no 17sep 10，2014图 5仿真模型整体电路图fig 5the circuit diagram of simulation model电动汽车储能采用自带锂电 池 模 型 ( 390v20ah) 。中间侧电容电压为 700v，设定 igbt 的开关 频率为 20khz。3 1充电模式仿真设置锂电池初始 soc 为 20% ，模拟充放电机对锂电池进行恒流充电。电网侧 a 相电压、电流如图 6所示，经过对直流母线电容的充电。在 第 0. 08s 以 后，电网电流大小按正弦规律 变 化。与 电 压 相 位 相同，功率因数为 1。网侧电流 thd = 4. 54% 。达到并网要求。 如 图 7 所 示，输出直流母线电容电压在 0. 08s 达到给定电压并保持稳定，为后侧直流变换电 路提供稳定的电能。dc / dc 变流器在初始充电时期采用恒流充电对 锂电池进行充电。充电电 流 为 2c。如 图 8 所 示，充电电流值经过短暂的超调后达到稳定值 40a，电流波动大小为 2a。锂 电 池 电 压缓慢上升如图 9 所 示，达到设计目标。当电池 soc 值达到设定值时，充 放 电 机 自 动 转 变为恒压充电方式维持电池两端充电电压恒定。图图 7充电模式直流母线电压fig 7the dc bus voltage waveform when charging图 8恒流充电时电池充电电流波形fig 8the charging current waveform of battery when working in constant current mode图 9恒流充电时电池两端电压波形fig 9the charging voltage waveform of battery when working in constant current mode图 6充电模式网侧电压电流波形fig 6the grid voltage and grid side current waveforms when charging 103 第 51 卷 第 17 期2014 年 9 月 10 日电测与仪表electrical measurement instrumentationvol 51 no 17sep 10，2014图 10恒压充电时电池充电电流波形fig 10the charging current waveform of battery when working in constant voltage mode图 12充放电机充电时网侧电流谐波分析fig 12the harmonics analysis on grid side current when working in charging mode图 11恒压充电时电池充电电压波形fig 11the charging voltage waveform of battery when working in constant voltage mode10，图 11 为由恒流充电转为恒压充电时的电池充电电压、电流 波 形。转为恒压充电 后电池两端电压保 持不变。充电电流减小。3 2放电模式仿真设置 锂 电 池 的 soc 值 为 90% ，如 图 12 图 14 所示，对充放电机的回馈电网能量的功能进行仿真。 dc / dc 变流器维持中间直流母线电压，设 定 回 馈 电 网的电能 p = 10kw，q = 0kvar，仿 真 结 果 如 图 15 图 17 所示。经过短暂调整。0. 1s 后，充放电机回馈 电网有功 功 率、无功功率基本 达 到 设 定 值。满 足 对 电网回馈能量的要求。并且网侧电流呈正弦规律变 化，thd = 4. 30% 。符合并网要求可接入电网。充放电机设定回馈电网 p = 0kw，q = 10kvar。仿真 结 果 如 图 18 图 21 所 示，经 过 短 暂 调 整。0. 05s 后，充放电机回馈电网有功功率、无 功 功 率 基 本达到设定值，满足要求。图 13充放电机放电时电池电流波形fig 13the discharging current waveforms of battery when discharging图 14充放电机放电时中间直流母线电压fig 14the intermediate dc bus voltage waveform when discharging 104 第 51 卷 第 17 期2014 年 9 月 10 日电测与仪表electrical measurement instrumentationvol 51 no 17sep 10，2014图 19回馈电网功率 p = 0kw，q = 10kvar时吸收的有功功率波形fig 19the absorbed active power waveforms when p = 0kw，q = 10kvar图 15回馈电网功率 p = 10kw，q = 0kvar时网侧电压电流波形fig 15the grid voltage and grid side current waveforms when p = 10kw，q = 0kvar图 16回馈电网功率 p = 10kw，q = 0kvar时吸收有功功率波形the absorbed active power waveforms when p = 10kw，q = 0kvar图 20回馈电网功率 p = 0kw，q = 10kvar时吸收的无功功率波形fig 20the absorbed reactive power waveforms when p = 0kw，q = 10kvarfig 16图 17回馈电网功率 p = 10kw，q = 0kvar时吸收无功功率波形the absorbed reactive power waveforms when p = 10kw，q = 0kvarfig 17回馈电网功率 p = 0kw，q = 10kvar时电网电压，网侧电流波形the grid voltage and grid side current图 18图 21充放电机回馈能量网侧电流谐波分析fig 21the harmonics analysis on grid side current when working in discharging modefig 18waveforms when p = 0kw，q = 10kvar 105 第 51 卷 第 17 期2014 年 9 月 10 日电测与仪表electrical measurement instrumentationvol 51 no 17sep 10，2014术，2011，45( 2) : 60 62tan guo cheng，xie yun xiang4结束语分析功 率 双 向充放电机的系统组成与工作方 battery charging dischargingdevice based on pulse width modulationj power electronics，2011，45( 2) : 60 628陈伟 三相电压型 pwm 整流器的直接功率控制技术 研 究 与 实 现d 武汉: 华中科技大学，20099李圆晨 混合动力客车大功率双向 dc dc 变换器研究d 哈 尔滨: 哈尔滨工业大学，2011li yuan chen esearch based on high power bi directional dc dc convert for hybrid electric vehicle d haerbin: harbin insti- tute of technology，201110张宏坡 基于 v2g 应用的车载充放电机的研究与设 计d 华 南理工大学，2012zhang hong po esearch and design of charging discharging device on vehicle for v2g applicationsd guangzhou: south china univer sity of technology，201211史金 仙 双 向 dc / dc 变 换 器 在 混 合动力汽车中的应用研究 d 合肥工业大学，2010作者简介:式，并给出基于瞬时功率理论的电压电流双 闭 环 控制策略和实现电池充放电的电压外环电流内环控制 策略。仿真结果显示充放电机可实现对蓄电池三段式 充电，充电时网侧电流正弦规律变化，设备实现单位 功率因数运行，满足并网要求，可实现电池的安全快 速充电。并可以灵活地向电网反馈期望的有功功率 和无功功 率，满足能量回馈的 要 求。仿 真 表 明 该 结 构满足 v2g 充放电机要求。参考文献1李瑾，杜成 刚，张 华 智能电网与电 动汽 车双向互动技术综述 j 供用电，2010，27( 3) : 12 14li jin，du cheng gang，zhang hua slummary on the two way interaction between smart grid and the electric vehiclej distribu- tion utilization，2010，27