充电桩式V2G电动汽车智能充放电系统设计

I充电桩式V2G电动汽车智能充放电系统设计摘要当下伴随着社会的逐步发展与进步，人们对环境的保护意识也变得越来越强烈，随着汽车数量的逐年增加，汽车尾气对环境造成的污染也日益严重，导致雾霾等恶劣的天气频发。并且伴随着不可再生的石化能源的逐步减少，电动汽车的研发被提上了日程。因为电动汽车不需要排放尾气，利用可再生能源的优点所以受到了广泛的关注。在将来电动汽车的大范围的推广与使用比将会是大势所趋。大量的电动汽车充电桩接入电网必将会对电网造成强大的压力。应用V2G技术设计的充电桩能够达到能量在电动汽车与电网之间的双向流动，从而调节电网的压力为电网运行打下坚实的基础。本篇文章所采用的是通过光伏电能对V2G充电桩进行供电，不仅节能环保而且能够在电网运行压力大的时候给电网回馈能力，让电网能够稳定安全的运行。V2G充电桩通过三相半桥型PWM整流器与双向DC/DC变换器构成。在本篇文章中，率先介绍了三相半桥电压型PWM整流器，然后详尽的分析其工作原理，控制理论和它的数学建模，然后通过基于这三种研究之下运用同步旋转坐标系下电流电压双闭环的电压空间矢量的控制方法。在这之后分析了双向DC/DC变换器的拓扑结构和它的工作原理。最终，将其仿真模型在仿真系统上搭建出来，并对实验结果进行分析。试验结果表明：电动汽车在处于放电的状态下，电网侧的电流是正弦电流但是电压相位与电网测的电压是完全相反的，直流母线上的电压处于稳定的工作状态，系统的动态性能也非常的稳定，最终实现了V2G双向调节的功能。关键词：V2G，电动汽车充电桩，双向DC/DC变换器，PWM整流器，空间矢量控制

AbstractNowadays,withthegradualdevelopmentandprogressofthesociety,people'sawarenessofenvironmentalprotectionhasbecomeincreasinglystrong.Withtheincreasingnumberofcarsyearbyyear,thepollutioncausedbyautomobileexhausttotheenvironmenthasbecomeincreasinglyserious,resultinginfrequentoccurrenceofbadweathersuchashaze.Andwiththegradualreductionofnon-renewablepetrochemicalenergy,thedevelopmentofelectriccarsisontheagenda.Becauseelectriccarsdonotneedtoemitexhaustgas,theadvantageoftheuseofrenewableenergy,sothewidespreadconcern.Inthefuture,thelarge-scalepromotionanduseratioofelectricvehicleswillbethegeneraltrend.Alargenumberofevchargingpilesareconnectedtothepowergrid,whichwilldefinitelyputgreatpressureonthepowergrid.ThechargingpiledesignedbyV2Gtechnologycanachievethetwo-wayflowofenergybetweentheelectricvehicleandthepowergrid,soastoregulatethepressureofthepowergridandlayasolidfoundationforthepowergridoperation.Inthispaper,V2Gchargingpilesaresuppliedwithphotovoltaicpower,whichisnotonlyenergy-savingandenvironmentallyfriendly,butalsocapableofgivingfeedbacktothepowergridwhenthepowergridisunderhighoperatingpressure,sothatthepowergridcanoperatestablyandsafely.V2Gchargingpileisconstructedbythree-phasehalf-bridgePWMrectifierandbi-directionalDC/DCconverter.Inthispaper,thethree-phasehalf-bridgevoltagePWMrectifierisfirstlyintroduced,thenitsworkingprinciple,controltheoryanditsmathematicalmodelingareanalyzedindetail,andthenthecontrolmethodofvoltagespacevectorofcurrentandvoltagedoubleclosed-loopisappliedundersynchronousrotatingcoordinatesystembasedonthesethreekindsofresearch.Afterthat,thetopologyofbidirectionalDC/DCconverteranditsworkingprincipleareanalyzed.Finally,thesimulationmodelisbuiltonthesimulationsystem,andtheexperimentalresultsareanalyzed.Thetestresultsshowthattheelectricvehicleisinthestateofdischarge,thecurrentonthepowergridsideissinusoidalcurrent,butthevoltagephaseiscompletelyoppositetothevoltagemeasuredbythepowergrid.Thevoltageonthedcbusisinastableworkingstate,andthedynamicperformanceofthesystemisalsoverystable.Finally,thefunctionofV2Gbidirectionalregulationisrealized.Keywords:V2G,evchargingpile,bidirectionalDC/DCconverter,PWMrectifier,spacevectorcontrol.目录第一章绪论 11.1研究背景 11.2电动汽车研究现状 11.2.1国外研究现状 11.2.2国内研究现状 21.3V2G技术概念 21.3.1V2G技术概念 21.3.2V2G技术的意义 21.4本文研究的主要内容 3第二章电动汽车充电桩结构与建模 52.1V2G充电桩的主电路拓扑结构 52.2三相半桥电压型PWM整流器 62.2.1PWM整流器概述 62.2.2三相半桥电压型PWM整流器工作原理 62.2.3三相半桥电压型PWM整流器数学模型 82.3双向DC/DC变换器 122.3.1双向DC/DC变换器概述 12第三章三相电压型PWM整流器SPWM控制分析 133.1PWM整流器控制方式 133.1.1直接电流控制 133.2PWM整流器SPWM控制策略分析 133.2.1PWM整流器SPWM控制策略分析 13第四章V2G充电桩的充放电控制策略研究与仿真 154.1三相半桥电压型PWM整流器控制分析 154.1.1空间电压矢量控制 154.2V2G充电桩充电模式的研究 184.2.1充电桩处于充电工作状态 184.2.2V2G充电桩放电模式的研究 20第五章仿真分析 225.1PWM系统仿真分析 225.2V2G充电桩仿真 245.3充电状态系统仿真研究 275.4放电状态系统仿真研究 28参考文献 31致谢 33PAGE33绪论1.1研究背景目前随着汽车数量的逐年增长，汽车所排放的尾气对环境的污染也越来越严重，到了冬天雾霾频发，能源也变得越来越少。在这个背景之下为了建设一个环境友好的生活环境，越来越多的国家开始投身于研究利用清洁能源的新课题。与此同时随着石油这类不可再生资源的日益消耗与人类对环境和不可再生资源的可持续利用的问题的关注，传统的汽车必定会受到重大的冲击。因此，寻找一种洁净的可代替石油的可再生能源会有利于社会的发展与需要。因此电动汽车因为其环保、节能等优点将会收到更加广泛的关注，其规模也将会逐步扩大。但是大规模的将电动汽车接入电网必将会对电网的压力造成巨大的冲击并且影响电网的正常运行。伴随着现在科技的发展与进步，电动汽车将会是未来所有的汽车之中最具发展性的，因此电动汽车数量也会越来越多，同时伴随着为电动汽车充电的充电桩也将会越来越多。而V2G就是为了实现电动汽车与电网间的双向能量交换。现在大多数的充电桩只是考虑到了能量的单向流动而并没有考虑到双向流动，因此造成了很多的能源浪费，让能源不能够得到充分的利用。因此建立一个可以双向流动，调节电网压力的充电桩是非常必要的。让其在电网的超负荷运行时向电力系统反馈电量，在电网低负荷运行时候再进行充电，这样就可以缓解电力系统在运行时面临的各种压力的问题让电网的稳定性与安全性得到大大的提高。这种能量双向交换是V2G作为电动汽车与电网互动技术的关键，并且向高效利用电力的方向发展。因此，基于V2G技术的充电桩将会有很高的发展。1.2电动汽车研究现状1.2.1国外研究现状日本的车企企业最早选择了电动汽车作为汽车发展的研究与发展方向，并在最终获得了成功。1991年，美国生产汽车的企业与福特公司共同设立了“先进电池联合体”致力于开发一种高性能的电池。并且在1991-1995四年期间一共投资了2.26亿美元用来研究电动汽车。英国作为目前世界上电动汽车研究比较先进，实际的电动汽车使用量也是最大的国家。从刚刚开始到目前的使用已经延续了五十多年。电动汽车的数目也从开始的12万辆增加到了现在的40万辆。法国的电动汽车也从上世纪九十年代开始大力的发展。标志—雪铁龙公司早就已经开始投资并且生产载重汽车与轿车。有雷诺公司曾经研究命名“Zomm”的概念汽车曾经造成巨大轰动。1.2.2国内研究现状现在清华大学已经成功的研究出电动汽车的智能快速充放电系统。在2008年的奥运会期间，电动汽车的充电桩使用的电源与其他的充电桩不同，这种充电桩使用的是智能电源，这种充电桩因为使用了一种“开关电源”技术，因此使用效率非常高。现在，我国的发改委，科技部，财政部和工信部已经四部联合，在国内的多个城市开始发展电动汽车示范运行的项目并且开展私人购买电动汽车的试点工作。这一系列的举措必将会促进电动汽车的发展，促进汽车市场的消费。1.3V2G技术概念1.3.1V2G技术概念V2G技术目的就是实现能量在电网和电动汽车之间的双向流动稳定电网运行，平衡电网，同时他还可以作为一种分布式的电源用来使用。当电网的运行不稳定时可以起到调节作用让电网回归稳定。目前国内大多数对充电汽车与电网之间相互调节的研究都是围绕“削峰填谷”的功能和调节电网平衡的功能进行。1.3.2V2G技术的意义V2G可以实现功率因数的矫正，并且实现能量的相互流动达成一种平衡，并且V2G还可以降低谐波的污染，让电网的运行变的更加的高效环保。电网在他的作用之下也会提高稳定性。通过V2G技术设计的充电桩，能够将电网和电动汽车稳定的连接在一起，并且在智能电网的技术支持之下，不仅仅能够满足电动汽车对电量的需求，并且当电网处在高负荷运行不稳定时，或者当电动汽车处于空闲的状态下还可以将电能回馈给电网从而调节电网的稳定。V2G技术的目的就在于提高能源的利用效率，让人类从此向着节约型、环保型的社会逐步稳定发展前进。（1）目前V2G技术的首要研究对象就是新能源，现在开发新能源的研究与利用是社会发展的主要趋势，通过对V2G技术的应用既提高了能源利用效率又降低了对环境的污染，响应了当今社会所提倡的低碳环保发展。（2）通过V2G技术的充电桩可以实现能量在电网与电动汽车之间的相互流动，V2G技术是伴随着目前社会发展而产生的结果，因为在当下的大环境之下，电动汽车对环境所造成的污染小，让我们生活的环境得到了很大的改善。V2G技术的发展更是影响到了整个汽车行业的发展，V2G技术发展的越快，发展的越好，电动汽车也就会随之发展的越快越好。通过应用这种技术不仅节省了很多的自然资源，而且这种技术更是响应了低碳环保的号召。（3）现在通过应用V2G技术，更是能够省下更多的成本降低不可再生能源的损耗从而获得到了利益。如果现在公司、企业、用户一起采用一种能够统一的管理模式来管理电动汽车的充电桩，那么电网公司的运营成本也会大大降低，电网的稳定性也会得到很大的提高。如果V2G技术的充电桩能够发展起来，那么一些其他的可再生能源，例如：太阳能与风能等也会随之一起发展起来。天气环境和地理环境都会对太阳能和风能产生一定的影响，通过V2G充电桩可以将这些能量存储起来接入到电网中，这样的话环境的问题就会得到解决。1.4本文研究的主要内容本篇文章所研究的的V2G技术充电桩的整体结构如下图所示，本文研究采用的是太阳能电网供电，因为光伏电网操作简单并且节能环保。V2G充电桩的整体结构如下图1-2所示。图1-2V2G充电桩整体结构示意图本文所选用的电动汽车充电桩，其拓扑结构是通过三相半桥电压型PWM整流器和双向DC/DC变换器组成。并且文中还提出了基于dq的同步旋转坐标系下电压与电流双向闭环电压电压空间矢量控制的策略，而且对这种策略进行了进一步的分析与研讨。最后，对基于V2G技术设计的充电桩进行了仿真检验，实验结果证明，采用这种技术设计的充电桩能够实现能量的双向流动。本文内容安排如下所示：第一章：绪论。介绍研究本课题的来源及意义。分析电动汽车发展和关于电动汽车充电桩的研究现状，阐述了研究基于V2G充电桩对电网与电动汽车的重要性。第二章：介绍关于三相PWM整流器的几种控制办法，并且对关于它的SPWM控制做了更加周密的介绍。第三章：依据电动汽车充电桩的独特的需求提出了基于V2G技术的电路拓扑，基于V2G技术的主要电路的拓扑结构采用双向DC/DC变换器和三相半桥PWM整流器构成。继而对电动汽车的充电桩的主电路进行拓扑结构的研究与解析。从而研究得出电路拓扑的数学模型，并且简略的对电动汽车蓄电池作了介绍。第四章：解析双向DC/DC变换器和三相板桥PWM变换器的控制策略，通过结合能够达到电动汽车双向充电桩的双向充电功能的高效与安全性的要求，在MATLAB/SIMULINK下搭建出电动汽车充电桩的充放电控制系统仿真模型，并且对基于V2G技术设计的充电桩充放电控制研究进行合理的仿真实验。实验结果证明，采用V2G控制技术设计的充电桩能够实现能量的双向流动。第五章：对电动汽车充放电控制系统进行整体的设计，并且对软件部分的设计时解析控制程序的流程。第六章：结论与展望。总结全文所作的工作和获得的结果，并且指出当前所做工作存在的不足和以后需要改良的地方。第二章电动汽车充电桩结构与建模2.1V2G充电桩的主电路拓扑结构目前世界上所流行的电动汽车充电桩主要要有两种结构形式，第一种充电桩的结构是由斩波器与二极管整流器构成，第二种充电桩的结构是DC/DC变换器和不可控的整流器构成。这两种结构的充电桩都不能达到能量从电动汽车向电网内传递。并且这两种结构的充电桩还有很多缺点，例如：动态的相应特别慢，谐波的污染非常强。本文所设计的充电桩是基于V2G控制，这种技术要比其他的充电桩要先进很多。这种充电桩主要是由两部分所构成，构成它的两部分分别是双向DC/DC变换器和三相半桥PWM整流器。通过这种形式构成的充电桩可以将电动汽车和电网连接在一起。并且当电网运行不稳定时候，能量将会从电动汽车反馈给电网让电网达成稳定从而达到能量的双向交互。通过这种方法电网的安全性与稳定性将会得到显著的提升。在进行充电时，电网所提供的是电压和相位相同的正弦电流；电动汽车在放电的时候，电网也是正弦电流，但是它的相位是和电网电压相反的，而且实现了单位功率的正因数矫正。所以，基于V2G技术设计的充电桩会有很光明的前景。基于V2G技术设计的电动汽车充电桩，它所选用的电池是锂电池。其电路所应用的拓扑结构如图2-1所示： 图2-1主电路拓扑结构2.2三相半桥电压型PWM整流器2.2.1PWM整流器概述AC/DC变换技术已经有很久的发展历史了，但是最早的应用形式应该是整流器。我们可以将整流器的发展历史分为以下三个阶段：首先是不控整流器阶段，后来发展到了相控整流器阶段，最后发展到了全控型功率开关的整流器阶段。PWM整流器有以下几个优点：电网一侧是动态速度向应特别快的正弦波。交流电网的一侧，完成单位功率因数的矫正。PWM整流器和其它整流器的不同地方就在于可以实现能量的双向流动，因此PWM整流器和其他整流器分类方法也不同。按照直流储能的形式可以分为电压型和电流型。按照电网的相数可以分为单相、三相和多相PWM整流器按照桥路结构可以分为半桥型和全桥型PWM整流器2.2.2三相半桥电压型PWM整流器工作原理三相半桥型PWM整流器的结构如图2-2图2-2三相半桥电压型PWM整流器其中ua,ub,uc是三相电网电压，ia,ib,ic是三相交流输入电流，Ls是交流测的电感，R1是等效电阻，Cd是直流侧滤波电容，udc是直流侧母线电压，idc是直流侧输出电流，Rd是负载电阻，Ed是直流电动势。UaN，UbN,UcN分别是a，b，c三点相对于N点的电压，Uno是N点O点之间的电压。PWM整流器在交流测的电感特别重要，其作用是：对电网侧的无功功率起到缓冲作用，让交流测的电流达到滤波效果，通过这种作用让系统运行稳定。直流侧的电容也有非常多的优点，如：让直流侧母线的电压达到稳定，抑制直流侧谐波的电压。三相半桥型PWM整流器还具有很多其他整流器所不具备的优点，如：电流的波形与电网一侧的电压全波都是正弦波、能够达到能量双向流动的效果、动态响应速度快和稳态性能好。根据三相电压型PWM整流器的主电路拓扑结构，可以得到PWM整流器的理想模型，如下图2-32-3PWM整流器理想模型图AD/AC整流器是PWM整流器的主要电路部分，电网一侧的电感L与电动势E是整流器的输入部分，输出部分是由负载电阻RL与电动势eL组成，通过忽略掉功率的损耗，根据功率守恒的关系可以得到：UI=Udc*idc上述式子中，交流测电网输入的电流与电压分别是i和u；直流侧的输出电流和电压分别是idc与Udc。由此可得知，通过整流器的交流测的电压电流能够控制其在直流侧的电压和电流。下面通过分析整流器在四象限详细的工作过程，首先需要控制好输入的电压，圆圈的轨迹是交流电压的矢量V点运行的线路，下面所示的图2-4是四象限的运动的过程图。A纯电感运行B正阻特性运行C纯电容运行D负阻特性运行图2-4PWM整流器交流测的矢量关系上图中，E是交流测电网电动势，VL是电感电压矢量，V是电压矢量，I是交流测电流矢量。三相PWM整流器可以在四个象限上运行，如果电压的矢量V不同，三相PWM整流器所呈现出来的特性也会不同。让三相电压型PWM整流器在四象限内运行主要有两种控制方法：首先是电流的间接控制，另一种方法是直接通过电流去控制。通过运用这两种方法，能够达到对整流器的控制作用。2.2.3三相半桥电压型PWM整流器数学模型通过上图分析，可以得到三相交流电压，如下所示：uα=√2UNcosωt根据三相电压型PWM整流器建立的数学模型要做以下假设：电网侧的是三相平衡和对称的正弦波电动势。三项等效电阻相等，电网侧三相交流电感同样相等，这是在理想的条件下建立的数学模型。将开关当作是理想状态下不考虑损耗的开关。忽略掉现实情况在存在的杂数分布参数造成的影响。通过这些假设能够更好的表述出三相电压型PWM整流器双向流动的能量。处于整流状态时，三相PWM整流器可以从电网中吸收有功功率和无功功率。当功率因数为1的时候就能够实现控制。此时，电网一侧的电压与电流都是同向的，因此能量流动到了PWM整流器；并且当处于有源逆变状态的时候，能量从新反馈给电网，从而实现功率因数是-1的控制。取R=R1+RsSk=1,&上桥臂导通，下桥臂关断0如果a相的上桥臂是导通的，下桥臂是关断的，那么此时Sa=1，Uan=Udc；如果下桥臂导通，上桥臂关断则Sa=0，UaN=0。所以，UaN=SauCN=通过基尔霍夫电压定律，能够得到静止坐标系下的数学表达式：（2-4）根据三相系统平衡得出ia+ib+i从而得出：uNO=-udc3k=a,b,cSk=-udc3因此可以得到直流侧的输出电流为：idc=iasa+根据基尔霍夫电流定律可得到：cdudcdt=iasa+ibsb+iL=udcRL令Sx=(Sa+Sb+Sc)/3,通过拉氏变换得：（2-10）（2-11）根据式2-11整理可以得到三相半桥PWM整流器在三项静止坐标系下开关函数的模型结果如图2-5所示：图2-5静止坐标系下开关函数的模型结果2.3双向DC/DC变换器2.3.1双向DC/DC变换器概述双向DC/DC变换器，他的作用效果是将一种直流电转换为另一种直流电。双向DC/DC转换器是指保证两个端点的输入电压和输出电压的极性不发生改变，并且自动根据实际情况的需要调节能量传输方向的一种变换器。并且通过双向的DC/DC变换器可以将蓄电池电压升高，从而达到逆变器高效运行的效果。并且还可以通过双向DC/DC变换器所吸收的能量传递给电动汽车。双向DC/DC变换器按照其输入输出是否具备隔离的效果可以将它分为两种：隔离式双向DC/DC变换器和非隔离式双向DC/DC变换器。非隔离式双向DC/DC变换器通常为双向半桥DC/DC变换器、Buck/Boost双向DC/DC变换器与Cuk双向DC/DC变换器。（1）非隔离式半桥型双向DC/DC变换器，采用的是全控型功率器件。如图2-8图2-8非隔离式半桥型双向DC/DC变换器（2）Buck/Boost双向DC/DC变换器,又称作双降压变换器，该变换器能够根据实际需要进行升级，如图2-9所示：图2-9Buck/Boost双向DC/DC变换器非隔离式双向DC/DC变换器的能量转换效率非常高，动态响应速度也非常快，体积小，很容易控制系统，完全可以满足电动汽车的需要。第三章三相电压型PWM整流器SPWM控制分析3.1PWM整流器控制方式3.1.1直接电流控制通过对PWM整流器中电网一侧的输入电流进行闭环控制，间接电流与直接电流控制的关键不同在于：通过接入电网侧的输入电流来完成闭环控制，所以其响应速度要特别快，静态性能也比较好并且它的控制精度要准确许多。一般的控制方式有：SPWM控制，滞环控制和空间矢量控制等几种方法。滞环控制由于电流控制能力比较快，但是，开关频率不稳定所以仅应用于小功率控制。SPWM控制特点是：开关频率低，谐波份量小，动态响应速度快，所以SPWM控制的使用场合非常多。一般采用电压电流双闭环进行直流控制，本篇文章就是一种关于dq同步旋转坐标系下电压电流双闭环的电压空间矢量的控制办法。3.2PWM整流器SPWM控制策略分析3.2.1PWM整流器SPWM控制策略分析PWM整流器在dq坐标系中的方程为：Ldiddt=-Riq+wLiq+Ldiqdt=Riq-wLid+usq-u通过以上两个式子可以得出d轴与q轴会受到交叉的耦合电压WLid，WLiq影响并受电网电动势Usd和Usq影响，所以要解除掉耦合再进行控制器设计，如果PWM整流器交流测电压矢量urd=urd+wLiq+uurq=-urq-wLid+usq通过计算可以得出：Ldiddt=-RidLdiqdt=-Rid+u三相电压型PWM控制器使用的是电压、电流双闭环控制系统，电流指令的改变是由电流内环所决定的，电压外环主要控制的是直流母线的电压，从而让电压达到稳定运行，并且电流内环和电压外环共同控制整流器。SPWM整体的控制结构图如下图3-1所示：图3-1SPWM整体控制结构图第四章V2G充电桩的充放电控制策略研究与仿真4.1三相半桥电压型PWM整流器控制分析4.1.1空间电压矢量控制空间电压矢量控制是一种新提出的控制方法，在这之前的控制均是采用SPWM控制，采用SPWM控制需要先得到一个圆形的旋转磁场，然后从PWM整流器的电压矢量去切换获得旋转的磁场，在这之后将开关频率降到很低，这种双向PWM整流器在控制的精度准度与稳定性会特别的好，正弦脉冲波调试是先通过比较三相正弦调制波与三角波载波从而得到PWM的波形，这种方法主要是改进波形，但是如果开关的频率过高，利用率比较低的时候波形也将会发生畸形的变化。基于SVPWM三项整流控制器具备比SPWM更优质的优点：电压的利用率会更高，开关频率也会变得很低从而达到控制的效果会会更好。首先我们通过空间电压矢量（uao，ubo,uao=saSa，Sb，Sc是单极性二值逻辑开关函数，uao，ubo，电压矢量的分布如图(4-1)所示：U0（0，0，0）和U7（1，1，1）是零电压矢量。图4-1空间电压矢量分布图PWM整流器在8种开关状态之下电网电压都可以用模是2udcuk=23udcuo,7=0其中k=(1…6)用开关函数如下所示：uj=23udc(sa+如果这个系统三相平衡（uao+ubo+u=23（uao+uboej2π/3+在分析了PWM整流器的空间电压分布矢量之后，将空间电压矢量进行合成。双向PWM整流器电压空间矢量一共包含八条。在这八条之中，存在着两条零空间失灵和六条的非零空间矢量。空间矢量的分布如下所示。图4-2空间电压矢量分布当u*处于I区的时候，u*能够通过矢量合成法则，通过u1，u2，u0u*=T1T2u1T1是在一个周期之内矢量u1所需要使用的时间，T2类似，Ts是PWM的一个开关周期，在一个周期之中，零电压矢量u0与u7T1+T2+T0+T7如果u∗与uu∗sin2π3=T2同时由于u1=u2=2udc那么根据上面三个式子可以得出T1=mTssin(π3T2=mTssins为SVPWM的调制系数n=√3udcu4.2V2G充电桩充电模式的研究4.2.1充电桩处于充电工作状态在充电桩对电动汽车进行充电的时候有多种的工作模式。为了方便我们进行分析，可以分析V2G充电桩处于功率单位因数的状态进行分析。当开关（Sa图4-7V2G充电桩处于充电工作状态通过上图可以发现在（100）模的模式下电流的传递方向，可以得知V2G充电桩在充电的时候，双向DC/DC变换器处于降压的模式之中，处于这种模式的控制之下S1是主控的开关。当S1接通的时候，双向DC/DC变换器的运行如图4-8所示:Udc是直流的母线的电压，U1也就是蓄电池的电压，在这个运行过程之中，S1与D2共同构成了buck的回路，然而S图4-8双向DC/DC变换器处于buck模式当开关S1处于关断的状态时，双向DC/DC变换器工作原理如4-9所示，因为其中存在电感L,所以电路之中会存在续流，电感中所具备的能量会经过电感L向蓄电池方向流动并且与D2图4-9双向DC/DC变换器续流回路4.2.2V2G充电桩放电模式的研究电动汽车在放电的过程之中为了我们分析方便，我们将开关组选为（Sa图4-10V2G充电桩处于放电状态通过上图我们可以发现在（100）的运行模式下电流的流向，电动汽车在放电的时候双向DC/DC变换器处于升压模式，在这种状态下S2是主控开关，S当S2是接通的状态时，蓄电池，电感L与S图4-11双向DC/DC变换器处于升压模式当开关S2是关断状态的时候，电感和电池中所存储的能量流过D图4-12蓄电池处于放电状态这种电路结构简单，通过调整占空比就能够对蓄电池起到很高的控制效果，而且可以达到能量之间的双向流动，提高能源利用率。第五章仿真分析5.1PWM系统仿真分析在Matlab/Simulink仿真环境下搭建系统仿真模型，然后对仿真结果进行分析。仿真模型整体由以下几个模块组成：三相半桥电压型PWM整流器模块，SPWM控制器模块，电网三相电流模块与PLL锁相环模块。系统仿真参数的设置是：交流侧电压是311V，频率设置的数值是50Hz，仿真时间为0.2s，直流母线电压是700V。电流波形与光伏电网一侧的电压如图5-1,5-2所示。图5-1电流波形图图5-2电网侧电压波形图从中可以得出，电流波形与电网电压波形全都是正弦波，并且具有相同相位，能够实现功率因数整流效果，所以造成的谐波污染也比较小。图5-3SPWM所控制的直流母线的电压通过上图可以发现，这个系统的动态性能比较不错，电压处于稳定状态。SPWM虽然在控制上比较简单，但是也有以下几种缺点：与SVPWM相比不容易实现数字化，如果开关的控制频率较低，那么电流的跟随性也会降低，将会造成比较大的偏差。如果开关的控制频率过高，则会导致电压的利用效果降低，从而对波形产生较大影响。基于SVPWM整流器在控制上有以下几条优点：动态性能好，开关控制频率低，电压的利用效率更高。5.2V2G充电桩仿真将充电桩控制策略的仿真模型在Matlab/Simulink仿真环境下搭建出来，然后分析本次仿真结果。仿真模型的模块由以下几个部分构成：双向DC/DC变换器，电网侧三相电源，三相半桥电压型PWM整流器，空间矢量控制器。并对系统的仿真参数进行如下设置：交流侧电压设置为311V，频率设定为50Hz，直流母线电压设置为700V，交流侧电阻设置的值是1Ω，仿真时间是0.2s。图5-4充电桩充电状态仿真模型图图5-5充电桩放电状态仿真模型图图5-6三相半桥电压型PWM整流器电网侧的交流电经过三相半桥电压型PWM整流器模块能够变为直流电，能够给双向DC/DC变换器提供稳定直流电，Udc为直流母线电压，U图5-7双向DC/DC变换器模块蓄电池的电压能够通过双向DC/DC变换器模块升降，通过开关S1，S2图5-8空间矢量控制器模块在双开关模式时，调制指数必须位于0-1之间，空间矢量控制器能够提高系统动态性能稳定性。5.3充电状态系统仿真研究充电状态仿真结果如图5-9,5-10,5-11所示：从中可以发现，当系统刚刚启动的时候，交流侧所存在的冲击电流比较大，但电流很快就会稳定下来。在实际操作过程之中，我们可以调整电路参数，加缓电路的启动，让电流逐渐达到正常值。从而达到避免冲击电流形成的效果。我还还能够通过增加限流电阻的方法来抑制干扰，三相电压型整流器其交流侧的输入电流是正弦波，并且其相位与电网电压相位是相同的。能够达到单位功率因数整流的效果。并且造成的谐波污染会非常小。直流母线电压达到700V经过的时间非常短，而且能够一直保持稳定运行。图5-9充电时电网侧A相电压与电流波形图5-10充电时直流母线电压Udc波形图图5-11充电电流波形图5.4放电状态系统仿真研究电动汽车完成充电之后，要想让他将能量回馈给电网，还需要一个光伏并网系统，并网逆变器是该系统的核心。逆变电流能够达到电网电压相位与电流相位相同的效果。并且还能够获得单位功率因数。电动汽车的动力电池也可以当做是储能电池来利用。电池的储能系统可以达到配电网和电池能量的相互传递。光伏并网发电系统有分布式与集中式，分布式的光伏发电装置是用户安装在自己车上的发电装置，能够就近解决用电，并且可以减少依赖于电网供电。分布式光伏发电装置通常在建筑物的表面进行安装，能够减少对土地面积的占用。运行起来也比较小巧灵活。集中式光伏并网发电系统主要是通过沙漠地区的光照来建立大型发电站，这种系统通过光伏组件和逆变器后能够输出380V的三相交流电。然后经过电力变压器接入高压输电网。集中光伏并网发电系统的规模比较大，输出稳定，发电效率高。但是这个系统需要使用长距离输电线来接入到电网之中。逆变器是并网逆变器，需要及时获得交流电网的电压信号通过闭环控制让并网逆变器的交流输出电流和电网电压的相位保持相同。并网的时候能够抑制高次谐波的电流输入电网保障系统安全稳定运行。放电状态仿真结果如图5-12,5-13,5-14所示图5-12A相电压与电流波形图5-13直流母线电压Udc图5-14放电电流波通过以上几个图片可以发现：交流侧也存在较大冲击电流，但是短时间能够达到稳定。在实际应用过程中为了防止造成较大的冲击，能够通过调整电路参数增加一个缓启动实现控制效果。三相电压型整流器交流侧输入正弦的电流，电压和相电压相反，电网侧电压波形不会造成畸形效果，电流波形稳定，电网侧能够达到对能量的吸收。电动汽车充电桩能够实现能量双向流动的效果，并且直流母线的电压能在700V达到稳定。参考文献[1]李璜,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):12-13.[2]高赐威,张亮.电动汽车充电对电网影响的综述[J].电网技术,2011,35(2):127-131.[3]刘晓飞,张千帆,崔淑梅.电动汽车V2G技术综述[J].电工技术学报,2012(02):121-127.[4]Anurag

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Annabathina

and

Sukumar

Kamalasadan.The

Challenges

and

Policy

Options

for

Integrating

Plug-in

Hybrid

Electric

Vehicleinto

the

Electric

Grid[J].The

Electricity

Joumal,April

2010,23(3):83-91.[5]Jarnut,Marcin,Benysek,Grzegorz.Application

of

power

electronics

devices

in

Smart

Grid

and

V2G

(Vehicle

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Grid)technologies[J].

10th

International

School

on

Nonsinusoidal

Curren