基于simulink的V2G充放電機(jī)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(jī)的模型，并進(jìn)行了建模仿真研究。文章分別從結(jié)構(gòu)和控制兩方面對充放電機(jī)的各個部分進(jìn)行了詳細(xì)的敘述，搭建了實(shí)現(xiàn)緊急電源功能時的充放電機(jī)simulink仿真模型，并對這一模型的仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)論證明該模型能夠?qū)崿F(xiàn)V2G功能，滿足用戶的需求。
關(guān)鍵詞：充放電；電動汽車；變換器；整流器

目前，隨著智能電網(wǎng)項目的啟動和大規(guī)模建設(shè)充電站規(guī)劃的實(shí)施，V2G(Vehicle to Grid)正成為研究熱點(diǎn)。V2G是指電動汽車作為移動儲能單元在受控狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的能量和信息的雙向交換功能。文獻(xiàn)對V2G的可行性進(jìn)行了詳細(xì)分析。
根據(jù)文獻(xiàn)的描述，具有V2G功能的充電站應(yīng)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)峰和應(yīng)急電源3項基本功能。文獻(xiàn)提出了一種電動汽車充放電系統(tǒng)模型，但是這種模型功能單一，只能并網(wǎng)運(yùn)行運(yùn)用于電動汽車電池充放電維護(hù)，滿足不了文獻(xiàn)介紹的具有V2G功能充電站的應(yīng)用。
筆者在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上對文獻(xiàn)提出的充放電系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)和完善，建立了能夠?qū)崿F(xiàn)充電站調(diào)頻、調(diào)峰和應(yīng)急電源3項基本功能的充放電機(jī)仿真模型。

1 V2G充放電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
為實(shí)現(xiàn)能能量的雙向流動和各個功能，主電路的拓?fù)溆蔁o隔離雙向半橋DC／DC結(jié)構(gòu)和以IGBT為開關(guān)管的三相橋式結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。充放電機(jī)的交流測與三相電網(wǎng)或重要負(fù)荷連接，直流側(cè)與電動汽車連接。

直流變換部分是無隔離雙向半橋DC／DC結(jié)構(gòu)。放電時VT2處于常斷狀態(tài)，VT1處于開關(guān)狀態(tài)，相當(dāng)于BOOST變換器。通過控制VT1的通斷調(diào)節(jié)占空比來控制輸出電壓。充電時VT1處于常斷狀態(tài)，VT2處于開關(guān)狀態(tài)，相當(dāng)于BUCK變換器，這一結(jié)構(gòu)可以靈活的根據(jù)充電的具體要求轉(zhuǎn)換控制方式，實(shí)現(xiàn)控制輸出電壓或電流的目的。該結(jié)構(gòu)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為開關(guān)管的三相橋式結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的相控橋式電路雖然在過去數(shù)十年中，為滿足不同的工作應(yīng)用場合已經(jīng)起到了不可或缺的作用，但是傳統(tǒng)的變換方法存在若干問題，如：功率因數(shù)低，使得線路損耗較大；注入電網(wǎng)的諧波過大，產(chǎn)生電磁干擾等。為解決這些問題并適應(yīng)這些，采用以全控器件作為開關(guān)管的三相橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成為趨勢。這種結(jié)構(gòu)可以通過PWM控制方便的實(shí)現(xiàn)AC／DC、DC／AC的轉(zhuǎn)化。與傳統(tǒng)的相控整流電路相比，此結(jié)構(gòu)還具有體積小、重量輕和動態(tài)響應(yīng)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(jī)模型全部采用simulink模塊塔建，根據(jù)V2G充放電機(jī)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個子模塊。各個階段的功能由不同的子模塊組合完成，根據(jù)指示完成各個功能的轉(zhuǎn)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PWM整流橋，PWM的控制采用為達(dá)到功率因數(shù)正弦波電流的雙閉環(huán)控制。電流內(nèi)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(dá)到較快的電流跟隨性能，本文按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流PI調(diào)節(jié)器。電壓外環(huán)的作用是控制三相PWM整流器的直流側(cè)電壓，應(yīng)著重考慮電壓環(huán)的抗擾性能，因此按照典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器。
實(shí)現(xiàn)調(diào)峰、調(diào)頻功能時充放電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)通過調(diào)節(jié)電流可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)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(nèi)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(wěn)定輸出功率同時根據(jù)電壓頻率，以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。
緊急電源功能在電網(wǎng)故障的情況下使用，這是充放電機(jī)就失去了電網(wǎng)的電壓嵌位作用。所以為了實(shí)現(xiàn)一功能時，采用電壓環(huán)PID控制，實(shí)時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(xiàn)充電模式的選擇，分別建立恒流和恒壓兩個不同的控制模塊。恒流階段采用電流跟蹤控制占空比，從而控制開關(guān)管的通斷，控制輸出電流恒定在一定值，電流值可根據(jù)需要和電池特性選擇。恒壓控制根據(jù)輸出電壓與輸入電壓計算占空比，然后根據(jù)計算所得占空比實(shí)時輸出控制脈沖。同時對電池SOC進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)根據(jù)SOC情況切換充電方式，實(shí)現(xiàn)恒壓恒流組合充電方式。
直直變換部分控制單元根據(jù)要求分為3部分，第一部分應(yīng)用于放電階段恒壓控制單元，第二部分應(yīng)用于充電階段的恒壓階段控制單元，第三部分應(yīng)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(dāng)于BOOST變換器，而充電階段相當(dāng)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是開關(guān)周期；toff關(guān)斷時間；ton是開通時間。
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(jù)輸入的開關(guān)管開關(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，計算開關(guān)管開通時間Ts和開關(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(jù)出入的Ts和T實(shí)時控制脈沖的輸出。