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1、基于 V2G 技术的车载双向充放电系统的 研究 刘浩浩郭兴众高文根 安徽工程大学安徽检测技术与节能装置省级实验室 摘要： 针对目前车载双向充放电系统存在体积大、灵活性差、功率小等不足，提出了由 空间矢量控制的双向 PWM 整流器和 PWM 控制的双向 DC/DC 变换器、220 V/380 V 电源以及并网接口、电机驱动电压输出端组成的系统;该方案的优点在于可以进 行 220 V/380 V 之间的切换，增强了灵活性和电动车的续航能力;用到的功率器 件均是电动汽车系统中的原有器件，节省了成本和车载空间，且在电动汽车闲 置时可作为移动电源对电网进行反馈能量；通过仿真实验并分析仿真结果验证了 系统
2、的可行性，能够实现基于 V2G 技术的车载双向充放电功能。 关键词： PWM 整流器;双向 DC/DC 变换器;空间矢量控制;PWM 控制; 作者简介：刘浩浩(1990-),男，江苏徐州人，硕士研究生，从事电力电子研 究. 收稿日期:2017-03-14 基金：安徽省自然科学基金资助项目(1408085ME105) Research on Bidirectional Vehicle Charging and Discharging System Based on V2G TechnologyAnhui Key Laboratory oeteLion Technology and Energy
3、Conservetion Devices, Anhui Polytechnic University; Abstract： According to the shortcomings of present two-way charging and discharging system such as 1 arge volume, poor flexibi 1 ity and low power and so on, this paper proposes a systcm composed of bidirectional DC/DC convcrter controlled by space
4、 vector and bidirectional DC/DC converter with PWM control and with two-way PWM rectifier, 220 V/380 V power supply, grid connector and motor drive volt age out put. This program has the advan tage of being abl e to switch bet wee n 220 V/380 V to enhance the flexibility and power consumption of ele
5、c trie vehicles, the power devices, which are used in electric vehicle system, being the original devices of eauto, saving cost and vehicle space, and can be used as a mobile power supply to power grid for feedback energy when the electric car is idle. The feasibi1ity of the system is verified by si
6、mulation experiments and by onalyzing the simulation results so that the two-way vehicle charging and discharging function based on V2 G technology can be realized. Keyword： PWM rectifier; bidirectional DC/DC converter; space vector control; PWM control; Received： 2017-03-14 目前，全球资源匮乏，环境污染严重，尤其是二氧化碳
7、排放量持续增加，开发 绿色新能源已迫在眉睫 111,为了节约能源和保护环境，国家大力提倡发展新能 源汽车，进而在汽车领域发展电动汽车成为一种潮流 R1。电动汽车充放电的研 究成为国内外热门课题。现阶段，电动汽车充电续航大都在充电站或者停车场、 居民区等地的充电桩上进行，为电动汽车电池充电带來了局限性固。然而电动 汽车大部分时间都是停滞的，因此能源利用率不高。市面上的电动汽车有些自带 充电机，但是充电机体积庞大， 用到的开关器件成本高。 基于这些不足提出了基 于 V2G (Vehicle to Grid)技术车载双向充放电系统，V2G 技术就是将电动汽车 作为移动储能装置在受控的状态下实现与电网
8、之间的能量信息的双向交换11。 V2G 技术提高了能源的利用率，促进社会向着节约型、环保型发展。该系统在电 动汽车电池组充电系统和电机驱动系统的基础上将它们共有的开关元器件共享 集成在一起， 这样就减少了成本而且也节省车辆空间， 还能随时随地进行充电 续航。 V2G技术是将电动汽车作为移动储能装置与电网之间的桥梁， 可以在电网 不稳定时为电网提供能量从而提高电网的安全性和可靠性固。 因此基于 V2G 技 术的车载双向充放电系统具有良好的发展前景。 1 放电系统拓扑结构分析 V2G 车载充放电系统既能够实现对电池组的充电又能实现对电网能量的反馈以 及对电机的驱动。因此主拓扑结构采用的是由驱动和车
9、载充电机相集成的双向 PWM 整流器和双向 DC/DC 变换器组成，如图 1 所示。图 1 基于 V2G 车载双向充放电拓扑 Fig. 1 Vehicle two-way charge and discharge extension based on V2G 下载原图 1. 1 双向 PWM 整流器工作原理分析 系统中的双向 PWM 整流器选择的是三相半桥电压型 PWM 整流器。该整流器与其他 整流器相比较具有优良的性能。能实现通过电源检测进行单相 PWM 整流器的切换; 该 PWM 整流器能够实现能量的双向流动即充电时实现整流功能，放电及驱动时 实现逆变功能。 在整流工作时通过控制实现电网电
10、流电压同和位， 在逆变状态下 工作时，网侧电流电压相反，这时电网侧吸收能量，并提高了网侧功率因数， 动态响应快。为了输出较稳定的交流电，电网侧还采用电感进行滤波。整流侧则 采用电容来滤波用来输出稳定的直流电。 对该 PWM整流器采取电压电流双闭环的 空间电压矢量控制，使系统具有良好的稳态和动态性能。 1.2 双向 DC/DC 变换器工作原理分析 系统中的双向 DC/DC 变换器由于和驱动系统共用相同的开关器件，因此具有使 用开关器件少、 动态响应快、 效率高等优点凹。 其能实现能量的双向流动， 即 如 buck/boost变换器， 当电池组充电吋变换器工作在 buck 降压状态， 如图 1 所
11、示 S 处于工作状态，S2 始终处于关断状态。此时由电容 C 的母线电压流向电池, 通过 Si 开关的导通与关断时间来控制占空比以得到所需要的电压或电流。当电 池组放电用来驱动电机或者反馈电网时，变换器工作在 boost 升压状态，与充 电时相反，此时 S始终保持关断，而 S2 开通，此时抬高母线电压以满足逆变后 屯机驱动或者是对屯网反馈能量。 1.3 基于 V2G 技术的车载双向充放电系统的整体工作原理分析 如图 1 所示开关心、心、K, K?均为常开。当对电池组充电时开关金、心、匕闭合 下触点，首先检测电源电压为单相电压或者三相电压，开关 Ki 分别连接接口 N 和接口 A,当检测到为三相
12、电压时，Ki 为常开，接口 A、B、C 导通，此时为三相 电压 380 V对电池组进行充电，当检测到为单相电压吋，&闭合接通 N,此吋任 意接通接口 B、C均为单相 220 V 供屯出稳定的交流屯，再经由电压电流双闭环 的空间电压矢量控制的 PWM 整流器，进行整流，输出所需要的直流电压或电流。 此时升高了母线电压，再经双向 DC/DC 变换器， 由 PWM 控制方式控制开关的导通 与关断时间来改变占空比，此时 S 导通，S2 始终关断，将母线电压进行 buck 降 压实现对电池组的充电。当电池组放电吋，此时 S】始终关断，S2 开通。将电池组 的屯压 boost 升压，抬高母线电压，这时 P
13、W 整流器工作在逆变状态。当&、心、 闭合上触点时，由 PWM 整流器逆变出电机驱动所需交流电压即对电机进行驱 动。当对电网进行反馈能量时闭合际心、K 讣触点，检测逆变输出的电压类型, 此时 220 V/380 V 电源接口充当并网接口，对电网进行并网反馈能量。也可以通 过逆变得到驱动电机所需电压对电机进行驱动。 2 放电系统控制策略分析 2.1 基于 V2G 车载双向充放电系统的控制策略结构分析 所述双向 PWM 整流器采用电压电流双闭环电压空间矢量控制，通过 A/D 釆样交流 侧电压和电流经 PLL 锁相环控制相角。双向 PWM 整流器在三相电压供电时，三相 abc坐标系下的变量经 PAR
14、K 变换到两相同步旋转 dq 坐标中再由电压电流调节器 前馈解耦输出电压对整流器进行双闭环电压空间矢量控制，即空间矢量脉宽调 制（SVPWM）m 产生触发脉冲来控制整流器各开关管的通断。当在单相电压供电 时，此时经 A/D釆样通过 PLL 锁相环控制相角时延 90构造两相电路，通过虚拟一个与实际交流量正交的交流量来构成虚拟 dq 同步旋转坐标。然后其控制方 式与三相电压供电时的控制方式一样均是采用电压电流双闭环电压空间矢量控 制。其控制结构如图 2 所示。 dUdc dt 其中人、i, h 以及 4、山、a 分别为三相交流电流和三相交流电压。%、%、 %是相电压，嗚为中间电压。、G、比分别为等
15、效电阻、直流侧电容、直流电 动势。在三相静止坐标系下，对交流侧一直变化的电压和电流无法清晰地观测到, 这对于设计精准的 PT 控制器增加了难度。dq 同步旋转坐标可以跟随被控量在空 间中同步旋转，达到相对静止，每个被控量映射到坐标轴都变成为直流量，对 于设计精准的 PI 控制器提供了方便总 L 然而由三相静止坐标到 dq 同步旋转坐图 2 基于 V2G 车载双向充放电控制策略结构 Fig. 2 Vehicle two-way charge and discharge control strategy structure based on V2G 下载原图 2. 2 双向 PWM 整流器的数学模
16、型和控制策略分析 如图 2 所示，采用 220 V/380 V 两种供电方式即为单相或三相电压，当单相 220 V电压供电时， 采用单相桥式整流器， 其控制方式与三相电压时的控制方式基 本相同，有一点不同之处在于单相系统只有单相电压即一个自由度，然而要实 现交流量的坐标旋转变换，至少需要具有两个自由度，即两个正交的交流量， 因此采用 90吋延构造两相电路通过虚拟一个与实际交流量正交的交流量来满 足坐标旋转变换的需要。即虚拟 dq 坐标系，这与三相电压 380 V 供电采用三相 半桥电压型 PWM 整流器时，采用电压电流双闭环空间电压矢量控制相同。根据基 尔霍夫电压定律，可以得到静止坐标系下的数学模型表达式： UAN + UNO Ls dt rib ub Ls dt Uc CN + UN() 标要经过一个过程， 首先将三相静止坐标进行CLARK坐标变换转换为两相静止 坐标系 （a, （3）可得到矩阵如下： 1 2_ 3 0 其中 x“、Xb、Xc,是矢量 x 在三和静止坐标系下的投影，是矢量 x 在（a, 3 ）坐 标系下的投影。然后再对得到的（a, B）坐标系进行 PARK 变换最终得
