电动汽车充放储一体化电站为可再生能源发电提供最佳解决方案
1 研究背景
随着环境和能源问题的日趋严峻，电动汽车和可再生能源受到了广泛的关注并迅速发展。电动汽车充放储一体化电站融合了电动汽车充电站和双向电站的优势，实现了电动汽车和电网的能量双向调度，为可再生能源发电和电动汽车大规模应用提供了最佳解决方案。
本文的研究对象为电动汽车充放储一体化电站中并联功率调节系统（pcs），该系统由多个双向变换器子模块并联组成，采用集中控制结构。根据上层能量管理系统（ems）调度，系统可工作于多种运行模式，文中深入分析了并联大功率双向功率调节系统在电动汽车充放储一体化电站内独立运行、并网运行及并网运行与独立运行间无缝切换等过程中的控制策略。
电动汽车充放储一体化电站中并联功率调节系统结构
2 运行模式和控制策略
v2g模式与控制策略
pcs在v2g运行时采用逆变侧电感电流内环pi、并网侧电感电流外环pi控制方式，由上层电站ems下发双向单元有功/无功功率指令。这种双闭环控制方式既能够有效抑制入网电流谐振和实现网侧电流的高功率因数运行，同时又具有良好的稳态和动态性能。电池充电时变换器运行于电压型高频脉宽调制（pwm）整流器状态，放电时则运行于逆变状态，利用高频pwm变换器的四象限运行特性即可以实现充放电状态的转换。在该运行模式下，pcs可以根据电站需求从配电网吸收或向配电网输出一定的有功功率和无功功率，以维持电站与配电网公共连接处（pcc）的潮流稳定，使电站相对于电网成为一个可控单元。
独立模式与控制策略
pcs独立运行采用逆变侧电感电流内环pi、电容电压外环pi的双环控制方式。这种双闭环控制方式能够实现良好的系统输出电压波形质量，并提高系统的动态性能。此时变换器为电压源工作模态，并联系统存在同步和均流这两大关键问题。采用数字化同步控制方案，由集中控制器生成工频方波信号经光电转换后送给双向变换装置控制器接收。为实现并联系统模块间功率均分，引入功率均分控制。平均功率控制策略取决于各pcs模块输出功率及输出阻抗。
无缝切换模式与控制策略
pcs无缝切换控制系统包括两个部分，电压控制单元和电流控制单元。为了实现并网运行和独立运行之间的无缝切换过程，维持电感电流内环不变，外环在网侧电感电流环和滤波电容电压环间进行切换并进行指令跟踪。独立运行模式下，当接收到电站ems并网运行调度指令时，双向变换器检测配电网的电压幅值与相位，并以此为参考调整自身的输出电压幅值和相位。当满足并网条件时触发静态开关，同时双向变换器在逆变电感电流内环pi基础上，将电容电压外环pi切换为并网电感电流pi控制，实现从独立到并网的双环无缝切换过程。快速准确的电网状态检测及锁相控制可以减少并网冲击，实现平稳的模式切换。并网运行模式下，当检测到电网故障或者进行计划检修时微电网与配电网断开。双向变换器仍在逆变电感电流内环pi基础上，从并网电感电流外环切换至电容电压外环，平滑切换入独立运行模式。
3 仿真和实验验证
以微处理器tms320f2812为核心控制器件，搭建了两台500kva pcs并联试验系统。
v2g模式下pcs为电流源型变换器工作模态，并网功率指令由集中控制器下发。充电和放电过程实验波形表明，系统能够获得很好的入网电流波形质量和较高的功率因数。
独立模式下pcs为电压源型变换器工作模态。离网带载动态实验波形表明，系统既能够保证良好的电压波形质量，又能快速响应站内的负荷波动。在负载突变过程中，电流能够实现瞬时均分，具有很好的动态性能。
由下图v2g运行模式和独立运行模式相互切换过程的实验波形可以看出，采用本文所提双环无缝切换方案可以实现稳定和平滑的电压过渡，为一体化电站的稳定运行提供保障。
v2g运行模式切换至独立运行模式过程实验波形
独立运行模式切换至v2g运行模式过程实验波形
4 结语
功率调节系统作为电动汽车充放储一体化电站的核心电能变换装置，承担着电动汽车充放电、电池储能和梯次利用和削峰填谷等功能。文中深入分析了其在一体化电站v2g运行、独立运行，以及模式间无缝切换模式下的控制策略和控制模型。基于采用lcl滤波的三相变换器拓扑，提出了包括逆变侧滤波电感电流内环、滤波电容电压外环和并网电感电流外环的双环无缝切换控制策略，并详细给出了无缝切换的切换条件和切换流程。研究结果表明，采用本文所提功率调节系统控制策略，能够实现电动汽车充放储一体化电站的经济可靠运行。
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本文的研究对象为电动汽车充放储一体化电站中并联功率调节系统（pcs），该系统由多个双向变换器子模块并联组成，采用集中控制结构。根据上层能量管理系统（ems）调度，系统可工作于多种运行模式，文中深入分析了并联大功率双向功率调节系统在电动汽车充放储一体化电站内独立运行、并网运行及并网运行与独立运行间无缝切换等过程中的控制策略。
电动汽车充放储一体化电站中并联功率调节系统结构
2 运行模式和控制策略
v2g模式与控制策略
pcs在v2g运行时采用逆变侧电感电流内环pi、并网侧电感电流外环pi控制方式，由上层电站ems下发双向单元有功/无功功率指令。这种双闭环控制方式既能够有效抑制入网电流谐振和实现网侧电流的高功率因数运行，同时又具有良好的稳态和动态性能。电池充电时变换器运行于电压型高频脉宽调制（pwm）整流器状态，放电时则运行于逆变状态，利用高频pwm变换器的四象限运行特性即可以实现充放电状态的转换。在该运行模式下，pcs可以根据电站需求从配电网吸收或向配电网输出一定的有功功率和无功功率，以维持电站与配电网公共连接处（pcc）的潮流稳定，使电站相对于电网成为一个可控单元。
独立模式与控制策略
pcs独立运行采用逆变侧电感电流内环pi、电容电压外环pi的双环控制方式。这种双闭环控制方式能够实现良好的系统输出电压波形质量，并提高系统的动态性能。此时变换器为电压源工作模态，并联系统存在同步和均流这两大关键问题。采用数字化同步控制方案，由集中控制器生成工频方波信号经光电转换后送给双向变换装置控制器接收。为实现并联系统模块间功率均分，引入功率均分控制。平均功率控制策略取决于各pcs模块输出功率及输出阻抗。
无缝切换模式与控制策略
pcs无缝切换控制系统包括两个部分，电压控制单元和电流控制单元。为了实现并网运行和独立运行之间的无缝切换过程，维持电感电流内环不变，外环在网侧电感电流环和滤波电容电压环间进行切换并进行指令跟踪。独立运行模式下，当接收到电站ems并网运行调度指令时，双向变换器检测配电网的电压幅值与相位，并以此为参考调整自身的输出电压幅值和相位。当满足并网条件时触发静态开关，同时双向变换器在逆变电感电流内环pi基础上，将电容电压外环pi切换为并网电感电流pi控制，实现从独立到并网的双环无缝切换过程。快速准确的电网状态检测及锁相控制可以减少并网冲击，实现平稳的模式切换。并网运行模式下，当检测到电网故障或者进行计划检修时微电网与配电网断开。双向变换器仍在逆变电感电流内环pi基础上，从并网电感电流外环切换至电容电压外环，平滑切换入独立运行模式。
3 仿真和实验验证
以微处理器tms320f2812为核心控制器件，搭建了两台500kva pcs并联试验系统。
v2g模式下pcs为电流源型变换器工作模态，并网功率指令由集中控制器下发。充电和放电过程实验波形表明，系统能够获得很好的入网电流波形质量和较高的功率因数。
独立模式下pcs为电压源型变换器工作模态。离网带载动态实验波形表明，系统既能够保证良好的电压波形质量，又能快速响应站内的负荷波动。在负载突变过程中，电流能够实现瞬时均分，具有很好的动态性能。
由下图v2g运行模式和独立运行模式相互切换过程的实验波形可以看出，采用本文所提双环无缝切换方案可以实现稳定和平滑的电压过渡，为一体化电站的稳定运行提供保障。
v2g运行模式切换至独立运行模式过程实验波形
独立运行模式切换至v2g运行模式过程实验波形
4 结语
功率调节系统作为电动汽车充放储一体化电站的核心电能变换装置，承担着电动汽车充放电、电池储能和梯次利用和削峰填谷等功能。文中深入分析了其在一体化电站v2g运行、独立运行，以及模式间无缝切换模式下的控制策略和控制模型。基于采用lcl滤波的三相变换器拓扑，提出了包括逆变侧滤波电感电流内环、滤波电容电压外环和并网电感电流外环的双环无缝切换控制策略，并详细给出了无缝切换的切换条件和切换流程。研究结果表明，采用本文所提功率调节系统控制策略，能够实现电动汽车充放储一体化电站的经济可靠运行。
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