微電網(wǎng)孤島運行下電動汽車雙向直流充電裝置的設計

王金明,白 迪,曹華鋒,趙志剛

（沈陽工程學院,沈陽 110136）

微電網(wǎng)孤島運行下電動汽車雙向直流充電裝置的設計

王金明,白 迪,曹華鋒,趙志剛

（沈陽工程學院,沈陽 110136）

本文針對在微網(wǎng)下孤島運行模式下設計了雙向直流充電裝置，利用非隔離式的BOOST-BUCK電路結(jié)構，充電裝置雙向?qū)〞r，利用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制來控制脈寬調(diào)制信號的占空比實現(xiàn)電路的升降壓，此時電動汽車的電池可以作為微電網(wǎng)穩(wěn)壓穩(wěn)頻的電源，單向流動時，利用單電壓外環(huán)控制，對微網(wǎng)直流母線電壓降壓從而給電池充電。仿真驗證了該設計的合理性與正確性。

控制策略；直流充電；微電網(wǎng)；DC-DC變換器

0 引言

隨著全球指資源危機，微電網(wǎng)越來越受到全世界關注，但微電網(wǎng)因為其不確定性，真正做到穩(wěn)定運行，需要其儲能系統(tǒng)發(fā)揮作用，而儲能系統(tǒng)投資比例較大。電動汽車的發(fā)展帶來了新的契機，讓閑置的電動汽車作為電源穩(wěn)定微網(wǎng)的電壓頻率的穩(wěn)定，降低儲能成本。本文為實現(xiàn)這一目標，設計了雙向直流充電裝置，即可以讓其作為移動式微網(wǎng)儲能系統(tǒng)，對微電網(wǎng)的電壓頻率波動進行平抑。又可以作為負載充電，為汽車提供電能。

1 電路拓撲結(jié)構

直流側(cè)的控制基于雙向DC/DC電路的電流環(huán)控制[1]，起到傳遞能量的作用。首先對雙向半橋變換器數(shù)學模型進行分析。如圖1所示。

此電路工作有兩個狀態(tài)，工作于BUCK模式下的數(shù)學模型[3]：

工作于BOOST模式下的數(shù)學模型[3]：

式中 D分別為2S、1S的占空比。

2 控制策略

2.1 雙向?qū)ú呗?/p>

該充電樁要做到當電動汽車作為儲能裝置時，可以電流雙向流動，而作為負載時單向流動。對于雙向流動的閉環(huán)系統(tǒng)，本裝置采用外環(huán)電壓控制內(nèi)環(huán)電流控制的雙環(huán)控制策略。

利用式（1）、（2）可設計控制策略如圖2，直流母線額定電壓與實際檢測電壓的差值經(jīng)PI補償?shù)玫絽⒖茧娏髦?，與實際測量電感電流值做差，經(jīng)PI補償?shù)玫叫盘?，?jīng)斬波所得開關信號通過功率放大控制DC-DC。利用此策略能穩(wěn)定直流母線的電壓，穩(wěn)定微電網(wǎng)交流側(cè)的電壓頻率。

2.2 單向?qū)ú呗?/p>

當汽車作為負載時S2處于關斷狀態(tài)，電路處于降壓狀態(tài)，根據(jù)式（2）設計單電壓環(huán)控制策略，電池端額定值與實際測量值的差值經(jīng)過PI補償，信號通過PWM得到信號改變S2導通關斷占空比控制輸出電壓。

3 充電裝置的設計

3.1 模塊選擇

如圖3所示，電壓采樣雙向?qū)〞r，該裝置首先分別利用電壓、電流采樣電路，對直流母線側(cè)的電壓、電感電流采樣，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字信號送到單片機。經(jīng)過運算得到的信號經(jīng)驅(qū)動電路把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，控制DC-DC變換器的開斷。當電池作為負載時，電壓采樣電路對電池端的電壓采樣，經(jīng)單片機的運算得到開關信號來控制輸出電壓大小。

本文采用霍爾傳感器LAH25-NP對直流電流進行采樣，不僅檢測的信號失真對小，而且主電路跟控制電路之間實現(xiàn)隔離。

3.2 主電路元件參數(shù)設計

電感L參數(shù)設計，當充電裝置工作于Buck充電狀態(tài)時，應盡量讓電感L工作在連續(xù)狀態(tài)：

電容以減少直流母線電壓紋波：

其中δ是電感電流紋波系數(shù)，γ是直流母線電壓紋波系數(shù)。

4 仿真驗證

為驗證設計的合理性，搭建了基于matlab/simlink 的仿真。電池采用電池端口360V，充電電壓380V，容量85Ah ，微網(wǎng)直流母線電壓500V。（1）電源作為負載充電時的仿真。單向?qū)〞r，直流母線500V,經(jīng)過變壓，電壓至384V。圖4為電池充電時狀態(tài)曲線。在380 V慢充過程中，可以看出開始時端電壓曲線爬升，逐漸平穩(wěn)。此時的電壓值是由單相控制策略參考電壓值大小決定，當參考值改變時，通過單片機運算改變脈寬信號的占空比，將輸出電壓調(diào)節(jié)至參考值。（2）電池作為微網(wǎng)電源時仿真。在蓄電池作為電源時，對微電網(wǎng)直 流母線電壓進行穩(wěn)壓，由仿真對比圖5可以知，在沒有電池對微網(wǎng)充放電是電壓波動相對劇烈，當加入電池作為電源對微電網(wǎng)平抑功率時，直流母線電壓震蕩幅度大幅減小，因此對微電網(wǎng)交流端可以提高電能質(zhì)量，從而維持微電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

5 結(jié)論

微電網(wǎng)作為解決能源危機的主要，其發(fā)展也是勢在必行，儲能系統(tǒng)起到調(diào)控作用，電動汽車的發(fā)展為微電網(wǎng)的儲能帶來了新的發(fā)展思路。本文為此設計一套雙向充放電的充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括主電路，采集電路，單片機，驅(qū)動電路組成，通過策略的切換，分別工作在兩種模式下，讓電動汽車成為微網(wǎng)的移動式儲能成為可能。

[1]李立,劉剛.多電池組儲能系統(tǒng)雙向DC-DC變換器的研制[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2011,39(03)：90-94.

[2]李朝東.微電網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)控制策略[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,2014.

[3]張方華.雙向DC-DC變換器的研究[D].南京：南京航空航天大學，2004.

[4]柳雪松.直流微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)雙向DC/DC變換控制策略研究[D].太原：太原理工大學,2014.

沈陽科技局集合項目（F14-231-1-21）

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.142