華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(bào)》上撰文，為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車充放儲(chǔ)一體化電站中具有并聯(lián)、雙向運(yùn)行特性的功率變換系統(tǒng)多模式運(yùn)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(yùn)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(dú)立兩種運(yùn)行模式間靈活選取，同時(shí)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(shí)現(xiàn)了功率優(yōu)化分配。此外，針對(duì)模式切換過(guò)程中負(fù)載電壓和并網(wǎng)電流波動(dòng)機(jī)理進(jìn)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(shí)現(xiàn)了運(yùn)行模式間的無(wú)縫切換。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提控制策略的可行性和有效性。
隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)作為我國(guó)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(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。電動(dòng)汽車充放儲(chǔ)一體化電站的建立，實(shí)現(xiàn)了充電站、換電站與儲(chǔ)能電站的優(yōu)勢(shì)融合，具有功能多樣化、運(yùn)營(yíng)管理靈活等特點(diǎn)[4-6]。
一體化電站既能向電動(dòng)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(wú)功補(bǔ)償、諧波治理等輔助服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)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(yùn)行功率變換系統(tǒng)(Power ConversionSystem, PCS)作為電網(wǎng)與電動(dòng)汽車之間的雙向能量傳輸通道，是一體化電站運(yùn)行控制的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。
功率變換系統(tǒng)在V2G運(yùn)行模式[7-9]下，需完成電動(dòng)汽車電池組的靈活充放電管理以及并網(wǎng)調(diào)控;在獨(dú)立運(yùn)行模式下，需滿足一體化電站內(nèi)關(guān)鍵負(fù)荷的用電需求和能量平衡。同時(shí)需實(shí)現(xiàn)V2G運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行模式間的無(wú)縫切換[10-13]，以保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和站內(nèi)關(guān)鍵負(fù)荷的不間斷供電。
有關(guān)多模式運(yùn)行功率變換系統(tǒng)的拓?fù)浼翱刂蒲芯抗ぷ饕褟V泛開(kāi)展[14,15]。文獻(xiàn)[16]針對(duì)一種兩級(jí)式單相PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用電流內(nèi)環(huán)滯環(huán)，通過(guò)并網(wǎng)電流外環(huán)與電容電壓外環(huán)間的切換，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)與獨(dú)立多模式運(yùn)行控制。但滯環(huán)控制下開(kāi)關(guān)頻率不固定，濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)復(fù)雜。
文獻(xiàn)[17,18]針對(duì)基于LCL濾波的PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在并網(wǎng)模式下采用間接電流控制，通過(guò)改變控制參考指令實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)與獨(dú)立運(yùn)行雙模式無(wú)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(xiàn)[19]采用下垂控制方案，實(shí)現(xiàn)了主從策略下的PCS雙模式運(yùn)行。但下垂控制下系統(tǒng)輸出動(dòng)態(tài)性能不佳，且文中缺乏對(duì)模式切換方法的深入分析。現(xiàn)有文獻(xiàn)僅以能量單向傳輸?shù)腜CS單元為研究對(duì)象，研究?jī)?nèi)容具有一定的局限性，因此針對(duì)能量雙向交互的PCS單元并聯(lián)系統(tǒng)的多模式運(yùn)行控制研究具有重要意義。
本文針對(duì)電動(dòng)汽車充放儲(chǔ)一體化電站中功率變換系統(tǒng)的并聯(lián)、雙向運(yùn)行特點(diǎn)，建立了V2G模式、獨(dú)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(yùn)行統(tǒng)一控制策略。在V2G運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)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(biāo)實(shí)現(xiàn)功率優(yōu)化分配。同時(shí)基于模式切換過(guò)程中負(fù)載電壓和并網(wǎng)電流波動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)了運(yùn)行模式間的無(wú)縫切換。
圖1 電動(dòng)汽車一體化電站框架
結(jié)論
電動(dòng)汽車充放儲(chǔ)一體化電站充分融合了充電站、換電站與儲(chǔ)能電站的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，是電動(dòng)汽車能源供給設(shè)施的發(fā)展方向和有效運(yùn)營(yíng)模式。
本文以一體化電站中功率變換系統(tǒng)為研究對(duì)象，在充分考慮其并聯(lián)、雙向運(yùn)行特性的基礎(chǔ)上，對(duì)V2G模式、獨(dú)立模式和切換模式進(jìn)行了深入分析，提出了一種集中式多模式運(yùn)行統(tǒng)一控制策略。
該策略實(shí)現(xiàn)了V2G運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)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(shí)通過(guò)所引入的雙環(huán)無(wú)縫切換方法實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行模式間的平滑切換和關(guān)鍵負(fù)荷不間斷供電。