1 研究背景

隨著環(huán)境和能源問題的日趨嚴峻，電動汽車和可再生能源受到了廣泛的關注并迅速發(fā)展。電動汽車充放儲一體化電站融合了電動汽車充電站和雙向電站的優(yōu)勢，實現(xiàn)了電動汽車和電網(wǎng)的能量雙向調(diào)度，為可再生能源發(fā)電和電動汽車大規(guī)模應用提供了最佳解決方案。

本文的研究對象為電動汽車充放儲一體化電站中并聯(lián)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)（PCS），該系統(tǒng)由多個雙向變換器子模塊并聯(lián)組成，采用集中控制結構。根據(jù)上層能量管理系統(tǒng)（EMS）調(diào)度，系統(tǒng)可工作于多種運行模式，文中深入分析了并聯(lián)大功率雙向功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)在電動汽車充放儲一體化電站內(nèi)獨立運行、并網(wǎng)運行及并網(wǎng)運行與獨立運行間無縫切換等過程中的控制策略。

電動汽車充放儲一體化電站中并聯(lián)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)結構

2 運行模式和控制策略

V2G模式與控制策略

PCS在V2G運行時采用逆變側電感電流內(nèi)環(huán)PI、并網(wǎng)側電感電流外環(huán)PI控制方式，由上層電站EMS下發(fā)雙向單元有功/無功功率指令。這種雙閉環(huán)控制方式既能夠有效抑制入網(wǎng)電流諧振和實現(xiàn)網(wǎng)側電流的高功率因數(shù)運行，同時又具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。電池充電時變換器運行于電壓型高頻脈寬調(diào)制（PWM）整流器狀態(tài)，放電時則運行于逆變狀態(tài)，利用高頻PWM變換器的四象限運行特性即可以實現(xiàn)充放電狀態(tài)的轉換。在該運行模式下，PCS可以根據(jù)電站需求從配電網(wǎng)吸收或向配電網(wǎng)輸出一定的有功功率和無功功率，以維持電站與配電網(wǎng)公共連接處（PCC）的潮流穩(wěn)定，使電站相對于電網(wǎng)成為一個可控單元。

獨立模式與控制策略

PCS獨立運行采用逆變側電感電流內(nèi)環(huán)PI、電容電壓外環(huán)PI的雙環(huán)控制方式。這種雙閉環(huán)控制方式能夠?qū)崿F(xiàn)良好的系統(tǒng)輸出電壓波形質(zhì)量，并提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。此時變換器為電壓源工作模態(tài)，并聯(lián)系統(tǒng)存在同步和均流這兩大關鍵問題。采用數(shù)字化同步控制方案，由集中控制器生成工頻方波信號經(jīng)光電轉換后送給雙向變換裝置控制器接收。為實現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)模塊間功率均分，引入功率均分控制。平均功率控制策略取決于各PCS模塊輸出功率及輸出阻抗。

無縫切換模式與控制策略

PCS無縫切換控制系統(tǒng)包括兩個部分，電壓控制單元和電流控制單元。為了實現(xiàn)并網(wǎng)運行和獨立運行之間的無縫切換過程，維持電感電流內(nèi)環(huán)不變，外環(huán)在網(wǎng)側電感電流環(huán)和濾波電容電壓環(huán)間進行切換并進行指令跟蹤。獨立運行模式下，當接收到電站EMS并網(wǎng)運行調(diào)度指令時，雙向變換器檢測配電網(wǎng)的電壓幅值與相位，并以此為參考調(diào)整自身的輸出電壓幅值和相位。當滿足并網(wǎng)條件時觸發(fā)靜態(tài)開關，同時雙向變換器在逆變電感電流內(nèi)環(huán)PI基礎上，將電容電壓外環(huán)PI切換為并網(wǎng)電感電流PI控制，實現(xiàn)從獨立到并網(wǎng)的雙環(huán)無縫切換過程。快速準確的電網(wǎng)狀態(tài)檢測及鎖相控制可以減少并網(wǎng)沖擊，實現(xiàn)平穩(wěn)的模式切換。并網(wǎng)運行模式下，當檢測到電網(wǎng)故障或者進行計劃檢修時微電網(wǎng)與配電網(wǎng)斷開。雙向變換器仍在逆變電感電流內(nèi)環(huán)PI基礎上，從并網(wǎng)電感電流外環(huán)切換至電容電壓外環(huán)，平滑切換入獨立運行模式。

3 仿真和實驗驗證

以微處理器TMS320F2812為核心控制器件，搭建了兩臺500kVA PCS并聯(lián)試驗系統(tǒng)。

V2G模式下PCS為電流源型變換器工作模態(tài)，并網(wǎng)功率指令由集中控制器下發(fā)。充電和放電過程實驗波形表明，系統(tǒng)能夠獲得很好的入網(wǎng)電流波形質(zhì)量和較高的功率因數(shù)。

獨立模式下PCS為電壓源型變換器工作模態(tài)。離網(wǎng)帶載動態(tài)實驗波形表明，系統(tǒng)既能夠保證良好的電壓波形質(zhì)量，又能快速響應站內(nèi)的負荷波動。在負載突變過程中，電流能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時均分，具有很好的動態(tài)性能。

由下圖V2G運行模式和獨立運行模式相互切換過程的實驗波形可以看出，采用本文所提雙環(huán)無縫切換方案可以實現(xiàn)穩(wěn)定和平滑的電壓過渡，為一體化電站的穩(wěn)定運行提供保障。

V2G運行模式切換至獨立運行模式過程實驗波形

獨立運行模式切換至V2G運行模式過程實驗波形

4 結語

功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為電動汽車充放儲一體化電站的核心電能變換裝置，承擔著電動汽車充放電、電池儲能和梯次利用和削峰填谷等功能。文中深入分析了其在一體化電站V2G運行、獨立運行，以及模式間無縫切換模式下的控制策略和控制模型?；诓捎肔CL濾波的三相變換器拓撲，提出了包括逆變側濾波電感電流內(nèi)環(huán)、濾波電容電壓外環(huán)和并網(wǎng)電感電流外環(huán)的雙環(huán)無縫切換控制策略，并詳細給出了無縫切換的切換條件和切換流程。研究結果表明，采用本文所提功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)電動汽車充放儲一體化電站的經(jīng)濟可靠運行。