華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室的研究人員蔡久青、陳昌松、段善旭、劉朋，在2017年第10期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，為實現(xiàn)電動汽車充放儲一體化電站中具有并聯(lián)、雙向運行特性的功率變換系統(tǒng)多模式運行，采用基于三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的集中控制體系，提出了一種集多種運行模式控制于一體的統(tǒng)一控制策略。
該策略下各功率變換單元可依據(jù)調(diào)度指令在V2G和獨立兩種運行模式間靈活選取，同時結(jié)合單元充放電狀態(tài)、輸出視在功率和電池組荷電狀態(tài)實現(xiàn)了功率優(yōu)化分配。此外，針對模式切換過程中負載電壓和并網(wǎng)電流波動機理進行分析。在統(tǒng)一控制策略中提出并引入了一種基于內(nèi)環(huán)指令跟蹤、外環(huán)軟切換的雙環(huán)切換方法，實現(xiàn)了運行模式間的無縫切換。仿真和實驗結(jié)果驗證了所提控制策略的可行性和有效性。
隨著能源危機和環(huán)境污染問題的日益嚴峻，電動汽車產(chǎn)業(yè)作為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)受到了廣泛的關(guān)注并得到了大力的推廣[1-3]。能源供給基礎(chǔ)設(shè)施的配套建設(shè)是電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。電動汽車充放儲一體化電站的建立，實現(xiàn)了充電站、換電站與儲能電站的優(yōu)勢融合，具有功能多樣化、運營管理靈活等特點[4-6]。
一體化電站既能向電動汽車提供基礎(chǔ)充換電服務(wù)，又能向電網(wǎng)提供削峰填谷、無功補償、諧波治理等輔助服務(wù)，實現(xiàn)了電動汽車與智能電網(wǎng)的協(xié)同發(fā)展。一體化電站通常由能量管理系統(tǒng)、電池充換系統(tǒng)和功率變換系統(tǒng)三部分組成。其中，多模式運行功率變換系統(tǒng)(Power ConversionSystem, PCS)作為電網(wǎng)與電動汽車之間的雙向能量傳輸通道，是一體化電站運行控制的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。
功率變換系統(tǒng)在V2G運行模式[7-9]下，需完成電動汽車電池組的靈活充放電管理以及并網(wǎng)調(diào)控;在獨立運行模式下，需滿足一體化電站內(nèi)關(guān)鍵負荷的用電需求和能量平衡。同時需實現(xiàn)V2G運行和獨立運行模式間的無縫切換[10-13]，以保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行和站內(nèi)關(guān)鍵負荷的不間斷供電。
有關(guān)多模式運行功率變換系統(tǒng)的拓撲及控制研究工作已廣泛開展[14,15]。文獻[16]針對一種兩級式單相PCS拓撲結(jié)構(gòu)，采用電流內(nèi)環(huán)滯環(huán)，通過并網(wǎng)電流外環(huán)與電容電壓外環(huán)間的切換，實現(xiàn)并網(wǎng)與獨立多模式運行控制。但滯環(huán)控制下開關(guān)頻率不固定，濾波器參數(shù)設(shè)計復(fù)雜。
文獻[17,18]針對基于LCL濾波的PCS拓撲結(jié)構(gòu)，在并網(wǎng)模式下采用間接電流控制，通過改變控制參考指令實現(xiàn)并網(wǎng)與獨立運行雙模式無縫切換。但間接電流控制難以保證并網(wǎng)電流波形質(zhì)量及系統(tǒng)單位功率因數(shù)輸出。
文獻[19]采用下垂控制方案，實現(xiàn)了主從策略下的PCS雙模式運行。但下垂控制下系統(tǒng)輸出動態(tài)性能不佳，且文中缺乏對模式切換方法的深入分析。現(xiàn)有文獻僅以能量單向傳輸?shù)腜CS單元為研究對象，研究內(nèi)容具有一定的局限性，因此針對能量雙向交互的PCS單元并聯(lián)系統(tǒng)的多模式運行控制研究具有重要意義。
本文針對電動汽車充放儲一體化電站中功率變換系統(tǒng)的并聯(lián)、雙向運行特點，建立了V2G模式、獨立模式和切換模式下控制模型，提出了一種集中式多模式運行統(tǒng)一控制策略。在V2G運行和獨立運行模式下以輸出視在功率平衡和電池組荷電狀態(tài)平衡為目標實現(xiàn)功率優(yōu)化分配。同時基于模式切換過程中負載電壓和并網(wǎng)電流波動機理分析結(jié)果，在該策略中引入基于內(nèi)環(huán)指令跟蹤、外環(huán)軟切換的雙環(huán)控制方法，實現(xiàn)了運行模式間的無縫切換。
圖1 電動汽車一體化電站框架
結(jié)論
電動汽車充放儲一體化電站充分融合了充電站、換電站與儲能電站的優(yōu)勢特點，是電動汽車能源供給設(shè)施的發(fā)展方向和有效運營模式。
本文以一體化電站中功率變換系統(tǒng)為研究對象，在充分考慮其并聯(lián)、雙向運行特性的基礎(chǔ)上，對V2G模式、獨立模式和切換模式進行了深入分析，提出了一種集中式多模式運行統(tǒng)一控制策略。
該策略實現(xiàn)了V2G運行和獨立運行模式下PCS單元功率優(yōu)化分配和充放電狀態(tài)靈活配置，同時通過所引入的雙環(huán)無縫切換方法實現(xiàn)了運行模式間的平滑切換和關(guān)鍵負荷不間斷供電。