基于V2G的电动汽车充放电控制策略

2023年12月20日发(作者：丰田霸道新款)

基于V2G的电动汽车充放电控制策略

摘要：在日常生活中，电动汽车（Electric Vehicles）和智能电网（Smart

Grid）每天扮演着不可忽视的角色。在这种科技与生活相结合的社会背景下，车网互联（Vehicle to Grid，V2G）技术也越来越受到关注。利用V2G可以大大有效缓解电网运行效率低和整体质量低、可再生能源利用程度低、电动汽车电量不稳定、电动汽车成本收益问题。预计未来电网的高质量建设和常态化应用将与V2G技术紧密结合，同时在车网互联技术实现车联网能源转换的未来，双向充放电也将发挥越来越重要的作用。

关键词：V2G；电动汽车；VSI

一、引言

发展电动汽车是节约能源、减少排放、吸收可再生资源的重要手段，它凭借绿色移动和低碳排放等一系列优势，突出了其在与传统车辆竞争中的优势。电力车辆和可再生能源的广泛应用是解决能源、全球变暖和环境污染的有效途径。电动汽车由于其能量储存的特征，不仅作为即插即用的充电负荷。大数据分析显示，90%以上的电动车一天的平均行驶时间约为1小时，一天大部分处于停车状态，实际上代表了闲置资源。如果将电动汽车像其他分散电源那样组装到电网中，则在电力消耗少的情况下能够使电力集中在电网侧，在峰值时也能够将电力反馈给电网，能够降低日用电量的峰值谷间差。有了足够的网络，就可以建立网络，控制动作，这就是V2G的理念。在V2G技术日趋成熟的今天，越来越多的学者用分散电源研究和探索作为反馈电网的电动汽车技术。

二、V2G技术研究现状

1997年，Willet Kempton和Steven Letendre提出了V2G的概念，将其作为一种新型的储存技术，可在负荷峰值时将储存电力传输到电网。那时候电动车很少，所以没那嚒受重视。目前，V2G是指信息和能量的双向传输，在V2G技术

中，电动汽车不仅是消耗电能的负荷，而且是储存能量的设备，为电网提供电能。随着电动汽车的发展，V2G技术也逐渐受到关注和发展。

图示出了V2G系统的双向模型。V2G模型主要包括电动汽车、电网和双向电力变换器三部分，电力变换器的作用是连接电动汽车和电网，使两者实现信息和能量的相互作用，因此变换器必须同时完成整流和逆变换的工作过程。

三、 V2G 双向充放电装置的结构和控制策略

（一） V2G 双向充放电装置的基本结构

双向转换器在整个系统中起着至关重要的作用，它主要具有两种单级式和多级式两种结构。在这两种结构中，两级式能精确控制电池的整个过程，有效调节电动汽车的充放电过程，提高电池的使用周期。因此，本文选择了二级式结构作为后续研究。

图3-1 V2G 双向变换器

详细如图3-1（b）的图所示，在逆变器的充电功能中，电动汽车的电池能量可以用两种不同的逆变器进行能量交换，由此，在车载动力不同的情况下，系统可以进行不同的指令以实现正常的动作。这里，在充电时，系统生成直流电力，实现高次谐波电流的抵消，另一方面，也可以使电流正弦波化。当电动车放电时，系统可以控制产生适当的电压，并在逆变器处理后进行并联网络，实现电池放电。

要满足V2G系统的基本功能要求，必须尽量减小电动汽车充放电装置的成本、体积。我们选择了合适的V2G整体拓扑结构，即三相电压型半桥双向AC-DC变换器的拓扑结构和半桥双向DC-DC变换器的拓扑结构。如图3-1所示，主要包括电网模块（三相或单相）、AC-DC转换器、DC-DC转换器及电池四个模块。

图3-1 电动汽车 V2G 双向拓扑结构图

（二）三相 AC-DC 变换器控制策略

我们都知道拓扑技术可以实现对 AC-DC 双向变换器和 DC-DC 双向变换器较为精准的控制，因此被广泛应用其中。但是在应用过程中，AC-DC 涉及到较多复杂的元器件，且自身结构也较为复杂，因此被广泛地研究。

1.电压型逆变器 VSI 变换分析

如图 3-2 所示为三相 VSI 的拓扑结构。L 表示电网侧电感，R 表示 IGBT

管损耗、滤波电感以及电线电阻的等效电阻和。

上图中idc表示直流侧电流，udc表示母线电压

令电感上的电流 ia、ib、ic作控制量，那么根据式（3-1）得到：

根据式上面三个式子可以得到：

Sk表示开关函数，定义着IGBT管的通断的不同组合状态：

如果Sk=0时，表示s2管导通，s1管关断；

如果Sk=1时，表示s1管导通，s2管关断。

我们希望用更简单的数学模型来控制逆变器，所以想要将电压旋转矢量从

ABC 坐标系中变换到 d-q 坐标系中。首先就要把 ABC 坐标系转换成α-β坐标系，变换原理如图3-6 所示。X 表示电压旋转矢量，α-β坐标系中的β轴重合于 ABC 坐标系 a 轴。而β轴与α轴垂直，超前于α轴 90°。

如果将β轴和旋转电压矢量 X 之间的夹角设为θ，那么 X 在α、β轴上的映射为：

得到

Tabc～αβ是从ABC坐标系中变换到α-β坐标系的矩阵，即Clark变换公式。由Clark变换公式就能知道其在α-β坐标系下的VSI状态方程，如式(3-10)所示。

在计算中，Sα、Sβ二者相当于在两相静止α-β坐标系的开关函数。

让α-β坐标系下的旋转矢量X固定于α-β坐标轴不动，将α-β坐标系以相同角速度旋转，将X是作为基础的参照模型，就能将其视作为一个静止状态的矢量，也就能进一步减少逆变器数学运算的难度，更方便控制系统完成创建。接下来将从两相静止α-β坐标系向旋转d-q坐标系进行转换，Park变换过程如下：

我们都知道ωt=θp，所以变换矩阵Tαβ～dq必须经由锁相环获取当前电网电压矢量相角θp如下：

由此我们就能得知道VSI在d-q坐标系下的电压方程如下：

上式中，ud表示电网电压矢量在d轴的分解，uq表示电网电压矢量在q轴的分解，id表示电网电流矢量在d轴的分解、iq表示电网电流矢量在q轴的分解，sd、sq分别表示d-q坐标系下的开关函数。

2. VSI 在静止坐标系下的控制策略

现阶段，由于ABC坐标系数学模型研究成熟，可广泛应用于大部分逆变器。同时，结合相关的研究理论，可以进一步提高对元件的控制精度和能力，得到了较好的发展。

（1）数字 PID 控制(Digital PID Control)

PID的数字控制从无到无进行了半个多世纪，如今已成为各产业控制的二选一，渗透到工业化的许多领域。与传统的PID技术相比，目前的数字PID控制具有更高的灵活性，可以提高生产率。

下图为数字PID的控制系统，主要包括三个环节。比例环节可以调节系统的动态偏差，积分环节可以积累系统以前的所有信息静差，微分环节可以进行前进调节以改善其动态特性。

（2）模糊控制(Fuzzy Control)

通常，模糊控制主要可以分为模糊化界面、知识库、推理机制和模糊界面部分四个部分。如图3-8所示。在实际工作过程中，主要按照以下流程进行工作。模糊化界面的作用是一组算法可以处理输入结果并输出模糊结果。其中，模糊过程可分为论域变换和模式变换。知识库可以分为两部分：数据库和规则库。这两个部分的作用不同，前者主要用于保存关于各量函数等的知识。推理机制可以处理相关结果并推理相应的结果。在这个过程中，首先需要设置相应的变量，然后用模糊规则对结果进行模糊推理。这个过程是合乎逻辑的。模糊消除接口的主要作用是对在前一步骤中得到的结果进行模糊解除，在操作后能够得到一定程度的正确的结果。

1）在操作过程中不需要进行精确的计算，算法可以用传统的人类经验来预断结果。

2）由于模糊计算的存在，结果可能不太准确，因此整个设备的结构并不复杂。

3）其原理容易为人们所理解。由于该算法的原理是以人类经验为判断依据，因此所判断的结果更容易为人类所接受。

4）模糊控制具有效果良好的鲁棒性。模糊控制系统对线性和非线性系统都能实现较好的控制效果，能及时适应不同的系统。

模糊系统在运用中存在很多方面，但从分割的角度看模糊控制具有很大的随机性和不可控性，同时运行中规则方法和模糊解决手段相互配合，只有在科学的方案规划下才能实现最优模糊控制。在这种技术基础上，模糊控制不适用于推广数量庞大、操作复杂的工程。

（3）无差拍控制(Deadbeat Control)

这项技术最初是在1960年左右提出的，在同世纪末左右得到了广泛的应用。该技术的原理是，通过当前执行处理前面的结果，处理前面的误差，计算并预测下一个执行时的结果。这种操作方式需要在每次运行中消耗大量的计算力，对计算机的信息处理效率有很高的要求。由于其重复运算可有效提高结果精度，因此过程响应快，同时结果错误率低。但是，在实际的动作中，由于大量的运算，设备的负荷容易变得过大。长时间过载会大大降低整个系统的稳定性，影响结果。

在同步旋转坐标系下控制策略

目前研发出了能够在d-q坐标系基础上运作的方法-空间矢量脉冲宽度调制。SVPWM的理论原理相当于对空间矢量在某段时间内的逆变器瞬时值进行表达。

如图3-5中电压源型逆变器状态：用“1”表示s1管导通，s2管关断，用“0”表示s1管关断，s2管导通。则电压源型逆变器系统的开关状态就能由六个管子的组合状态来表示。如VSI用（1，0，0）表示a相为“1”，b、c相为“0”。

总结

本文围绕V2G双向充电结构展开研究，首先分析了双向V2G变换器，接着依次挑选了两个变换器与拓扑结构即三相电压型双向AC-DC变换器和半桥结构的双向DC-DC的拓扑结构，然后首先由三相VSI数学模型这个基础出发，逐一研究在三个坐标系的状态方程，其中三个坐标系分别为ABC坐标系、α-β坐标系和d-q坐标系。除此之外，还得出了不同坐标系下的变换矩阵。最后分析研究d-q坐标系的空间矢量调制与并网逆变器控制手段。

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