基于simulink的V2G充放電機建模與仿真

摘要：基于對V2G功能的初步研究，建立了V2G(Vehicle to Grid)充放電機的模型，并進(jìn)行了建模仿真研究。文章分別從結構和控制兩方面對充放電機的各個(gè)部分進(jìn)行了詳細的敘述，搭建了實(shí)現緊急電源功能時(shí)的充放電機simulink仿真模型，并對這一模型的仿真結果進(jìn)行了分析。結論證明該模型能夠實(shí)現V2G功能，滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。
關(guān)鍵詞：充放電；電動(dòng)汽車(chē)；變換器；整流器

目前，隨著(zhù)智能電網(wǎng)項目的啟動(dòng)和大規模建設充電站規劃的實(shí)施，V2G(Vehicle to Grid)正成為研究熱點(diǎn)。V2G是指電動(dòng)汽車(chē)作為移動(dòng)儲能單元在受控狀態(tài)下實(shí)現與電網(wǎng)的能量和信息的雙向交換功能。文獻對V2G的可行性進(jìn)行了詳細分析。
根據文獻的描述，具有V2G功能的充電站應實(shí)現調頻、調峰和應急電源3項基本功能。文獻提出了一種電動(dòng)汽車(chē)充放電系統模型，但是這種模型功能單一，只能并網(wǎng)運行運用于電動(dòng)汽車(chē)電池充放電維護，滿(mǎn)足不了文獻介紹的具有V2G功能充電站的應用。
筆者在文獻的基礎上對文獻提出的充放電系統進(jìn)行了改進(jìn)和完善，建立了能夠實(shí)現充電站調頻、調峰和應急電源3項基本功能的充放電機仿真模型。

1 V2G充放電機的拓撲結構
為實(shí)現能能量的雙向流動(dòng)和各個(gè)功能，主電路的拓撲由無(wú)隔離雙向半橋DC／DC結構和以IGBT為開(kāi)關(guān)管的三相橋式結構組成，如圖1所示。充放電機的交流測與三相電網(wǎng)或重要負荷連接，直流側與電動(dòng)汽車(chē)連接。

直流變換部分是無(wú)隔離雙向半橋DC／DC結構。放電時(shí)VT2處于常斷狀態(tài)，VT1處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，相當于BOOST變換器。通過(guò)控制VT1的通斷調節占空比來(lái)控制輸出電壓。充電時(shí)VT1處于常斷狀態(tài)，VT2處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，相當于BUCK變換器，這一結構可以靈活的根據充電的具體要求轉換控制方式，實(shí)現控制輸出電壓或電流的目的。該結構具有使用元件少、體積小、效率高的優(yōu)點(diǎn)。
交直變換部分是以IGBT為開(kāi)關(guān)管的三相橋式結構。傳統的相控橋式電路雖然在過(guò)去數十年中，為滿(mǎn)足不同的工作應用場(chǎng)合已經(jīng)起到了不可或缺的作用，但是傳統的變換方法存在若干問(wèn)題，如：功率因數低，使得線(xiàn)路損耗較大；注入電網(wǎng)的諧波過(guò)大，產(chǎn)生電磁干擾等。為解決這些問(wèn)題并適應這些，采用以全控器件作為開(kāi)關(guān)管的三相橋式拓撲結構成為趨勢。這種結構可以通過(guò)PWM控制方便的實(shí)現AC／DC、DC／AC的轉化。與傳統的相控整流電路相比，此結構還具有體積小、重量輕和動(dòng)態(tài)響應速度高的優(yōu)點(diǎn)。

2 控制模型的建立
2．1 總體控制模型
充放電機模型全部采用simulink模塊塔建，根據V2G充放電機的功能，控制部分主要分為恒流控制、BUCK恒壓控制、BOOST恒壓控制、電流電壓雙閉環(huán)控制、電壓PID控制和功率電流雙閉環(huán)控制6個(gè)子模塊。各個(gè)階段的功能由不同的子模塊組合完成，根據指示完成各個(gè)功能的轉換。

2．2 交直變換控制部分
在充電整流階段，電能從電網(wǎng)經(jīng)過(guò)PWM整流橋，PWM的控制采用為達到功率因數正弦波電流的雙閉環(huán)控制。電流內環(huán)的作用是按電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制，為了達到較快的電流跟隨性能，本文按典型I型系統設計電流PI調節器。電壓外環(huán)的作用是控制三相PWM整流器的直流側電壓，應著(zhù)重考慮電壓環(huán)的抗擾性能，因此按照典型Ⅱ型系統設計電壓外環(huán)PI調節器。
實(shí)現調峰、調頻功能時(shí)充放電機與電網(wǎng)并聯(lián)通過(guò)調節電流可以實(shí)現調節輸出功率的目的，所以采用直接電流跟蹤控制，使用功率電流雙閉環(huán)控制。電流內環(huán)是按功率外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制，功率外環(huán)的作用是穩定輸出功率同時(shí)根據電壓頻率，以實(shí)現單位功率因數，改善系統的動(dòng)態(tài)響應。
緊急電源功能在電網(wǎng)故障的情況下使用，這是充放電機就失去了電網(wǎng)的電壓嵌位作用。所以為了實(shí)現一功能時(shí)，采用電壓環(huán)PID控制，實(shí)時(shí)檢測輸出電壓與指定信號比較，控制輸出電壓幅值與頻率跟蹤給定信號。
2．3 直直變換控制部分
為實(shí)現充電模式的選擇，分別建立恒流和恒壓兩個(gè)不同的控制模塊。恒流階段采用電流跟蹤控制占空比，從而控制開(kāi)關(guān)管的通斷，控制輸出電流恒定在一定值，電流值可根據需要和電池特性選擇。恒壓控制根據輸出電壓與輸入電壓計算占空比，然后根據計算所得占空比實(shí)時(shí)輸出控制脈沖。同時(shí)對電池SOC進(jìn)行監控，實(shí)現根據SOC情況切換充電方式，實(shí)現恒壓恒流組合充電方式。
直直變換部分控制單元根據要求分為3部分，第一部分應用于放電階段恒壓控制單元，第二部分應用于充電階段的恒壓階段控制單元，第三部分應用在充電階段的恒流階段控制單元。放電階段直直變換部分相當于BOOST變換器，而充電階段相當與BUCK變換器，所以放電階段恒壓控制單元采用公式(1)計算占空比，充電階段采用公式(2)。

式中：U0是直流變換器輸出電壓；Ud是直流變換器輸入電壓；D是占空比；T是開(kāi)關(guān)周期；toff關(guān)斷時(shí)間；ton是開(kāi)通時(shí)間。
恒壓控制子單元分為兩部分，如圖2所示。第一部分采用前饋控制方法，根據輸入的開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)頻率、DC／DC變換器實(shí)測的電池端電壓和給定的輸出電壓計算占空比并輸出，計算開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)間Ts和開(kāi)關(guān)周期T。第二部分S2是脈沖波的產(chǎn)生與輸出模塊，可以根據出入的Ts和T實(shí)時(shí)控制脈沖的輸出。