功率可擴展的V2G充放電系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

摘要：針對目前電動汽車V2G充電樁單接口的充放電功率恒定、無法擴展的問題，設(shè)計一種雙回路雙接口的 V2G 充放電系統(tǒng)，采用在功率模塊直流側(cè)進(jìn)行功率投切控制的方式，使得充放電系統(tǒng)突破單接口額定功率的限制，有效進(jìn)行充放電功率擴展。樣機的實驗數(shù)據(jù)表明，充放電系統(tǒng)能夠根據(jù)后臺指令，控制相應(yīng)的接觸器投切動作，完成回路間功率模塊調(diào)用，準(zhǔn)確響應(yīng)后臺功率需求，輸出擴展后的充放電功率。

關(guān)鍵詞：V2G；充電樁；功率；擴展；設(shè)計

0 引言

我國新能源電動汽車保有量日益增多，作為“新基建”之一的充電樁是連接電動汽車和電網(wǎng)之間的關(guān)鍵設(shè)備，能夠為電動汽車提供充電服務(wù)。但在用電高峰期電動汽車集中充電時，能量的單向流動勢必會造成負(fù)荷曲線“峰上加峰”，導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)擔(dān)進(jìn)一步加重，威脅設(shè)備和電網(wǎng)穩(wěn)定運行 ^[1]。以靈活化、網(wǎng)聯(lián)化為特征的電動汽車作為未來能源互聯(lián)網(wǎng)的儲能終端，也是智能電網(wǎng)的重要組成部分，為了最大程度利用電動汽車蓄電池移動儲能的特性 ^[2]，眾多學(xué)者研究了 V2G 充放電系統(tǒng) ^[3-4]，它突破了傳統(tǒng)充電模式限制，使得“車 - 樁 - 網(wǎng)”之間能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向友好互動。車輛閑置電能可通過 V2G 充電樁為電網(wǎng)提供需求響應(yīng)、調(diào)峰調(diào)頻、促進(jìn)新能源消納等輔助服務(wù)，成為近年來的研究熱點 ^[5-6]，且已 出現(xiàn)相關(guān) V2G 充電樁產(chǎn)品和應(yīng)用示范站點 ^[7]。

然而，從市場調(diào)研情況看 ^[8]，目前市面上的 V2G 充電樁內(nèi)部只設(shè)置有 V2G 功率模塊，雖然實現(xiàn)了雙向能量互動，但單接口的最大充放電功率由該接口所分配的模塊個數(shù)決定，是恒定功率值，導(dǎo)致充電和放電功率均無法擴展，限制了為車主提供更靈活、高效的充放電服務(wù)能力?；诖?，本文設(shè)計一種雙回路雙接口的 V2G 充放電系統(tǒng)，每個回路分配有相同數(shù)量的充電功率模塊和 V2G 功率模塊，且在每個模塊直流側(cè)設(shè)計有投切接觸器，和母線僑聯(lián)接觸器，雖然單接口額定功率一定，但可通過回路間的功率模塊借用的方式，實現(xiàn)充電和放電功率的擴展。

1 V2G充放電系統(tǒng)架構(gòu)

設(shè)計的 V2G 充放電系統(tǒng)為對稱的雙回路形式，圖 1 為系統(tǒng)原理架構(gòu)示意圖，1# 和 2# 回路為獨立的系統(tǒng)，主要包括交流配電及計量單元、功率變換單元、直流接觸器單元、直流母線、直流配電及計量單元、充放電控制器等 6 個核心組成單元。以 1# 充放電回路為例，每個單元的作用及配置如下。

（1）交流配電及計量單元

該單元包括 1 臺交流斷路器 1QF1、1 臺交流接觸器 1KM1 和 1 臺雙向交流電表 1PJ，主要實現(xiàn)交流側(cè)并網(wǎng)控制和短路保護(hù)功能，并對交流側(cè)的充電和放電電量進(jìn)行雙向計量，為充電站運營商和電網(wǎng)結(jié)算提供計量依據(jù)。

（2）功率變換單元

該單元共配置 3 臺功率變換模塊，其中包括 1# 和 2# 普通充電功率模塊，分別為 1AU1 和 1AU2，該充電模塊只能實現(xiàn)充電功能，額定充電功率均為 20 kW； 1 臺 V2G 功率模塊為 1AU3，該模塊具備雙向能量變換功能，根據(jù)指令可實現(xiàn)充電或放電，額定充放電功率為 20 kW。

（3）直流接觸器單元

該單元在每個功率變換模塊的直流側(cè)，各配置 2 個 投切直流接觸器，方便通過控制器進(jìn)行功率投切控制，其中模塊 1AU1、1AU2 和 1AU3 分別通過直流接觸器 1K1/1K2、1K3/1K4、1K5/1K6 連接至直流母線 L1 和 L2。當(dāng) 1# 回路需要調(diào)用 1AU1 功率模塊時，則控制器控制直流接觸器 1K1 閉合，從而可將其輸出功率投切至直流母線 L1 上，其他功率模塊具有相同的投切機制。若 1# 或 2# 回路之間需要擴展功率而借用模塊時，除了應(yīng)閉合相應(yīng)模塊的投切接觸器外，還需閉合直流母線 L1 或 L2 的僑聯(lián)接觸器 KQ1 或 KQ2。

（4）直流母線

L1、L2 分別為 1# 回路和 2# 回路的直流母線，一般情況兩條母線中間通過僑聯(lián)接觸器 KQ1 或 KQ2 進(jìn)行分?jǐn)?，形成兩個完全獨立的回路，各功率變換模塊可將自身功率投切至需要并入的母線。

（5）直流配電及計量單元

該單元包括 1 臺直流輸出接觸器 1K4、1 臺熔斷器 1R1、1 臺分流器 1F1、1 臺雙向直流電度表 1PZ 和 1 個 接口連接器 1XS，主要實現(xiàn)直流側(cè)通斷控制、直流側(cè)過載及短路保護(hù)、直流變換能量的雙向計量，并提供充放電系統(tǒng)與車輛之間的連接接口。其中 1K4 受控于充放電控制器，連接直流配電設(shè)備和直流母線；1PZ 通過采集母線電壓和分流器電壓數(shù)據(jù)實現(xiàn)直流計量，為車主結(jié)算提供依據(jù)；1XS 設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)的連接器插頭。

（6）充放電控制器

充放電控制器 AM 主要與各功能單元之間實現(xiàn)互聯(lián)互通，其通過開入或開出接口，實現(xiàn)對交直流配電設(shè)備、各直流接觸器的狀態(tài)控制和采集；通過 RS485 通訊實現(xiàn)對交流和直流電表的計量數(shù)據(jù)采集，并加密后上傳至運營后臺；通過 CAN 通訊實現(xiàn)對各功率變換模塊的功率指令下發(fā)和電壓、電流、功率等實時數(shù)據(jù)和狀態(tài)獲取，且可通過 CAN 通訊與車輛蓄電池管理系 統(tǒng)（battery management system，BMS）交互充放電流程和功率需求數(shù)據(jù)。

2 充放電功率擴展模式

由圖 1 中 1# 和 2# 回路配置的功率模塊可知，每個回路直流側(cè)的額定放電功率由 1 臺 V2G 功率模塊決定，額定值為 20 kW；直流側(cè)的額定充電功率由 2 臺功率模塊和 1 臺 V2G 功率模塊決定，額定值為 60 kW。若某一時刻，后臺下發(fā)或車輛 BMS 需求的充電或放電功率大于額定值，或大于當(dāng)前可用模塊的總功率，則需要通過 2 個回路之間功率擴展的方式，滿足后臺或車輛需求。功率擴展模式主要有兩種，以下以 1# 回路為例對每種模式進(jìn)行分類分析。

2.1 充電模式時的功率擴展

2.2 放電模式時的功率擴展

由以上功率擴展模式可知，每個回路的最大充電功率，可在額定充電功率基礎(chǔ)上，最多擴至 120 kW；每個回路的最大放電功率，在額定放電功率基礎(chǔ)上，最多可擴展至 40 kW。

3 樣機實現(xiàn)及試驗驗證

3.1 充電功率擴展試驗

3.2 放電功率擴展試驗

以上充放電試驗說明，設(shè)計的功率可擴展 V2G 充放電系統(tǒng)能準(zhǔn)確響應(yīng)后臺需求，具備有效可靠的功率擴展功能，突破傳統(tǒng) V2G 充電樁接口功率恒定的限制，可為車輛提供更加靈活方便的充放電服務(wù)。

4 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng) V2G 充電樁單接口的最大充放電功率恒定，無法根據(jù)需求進(jìn)行功率擴展的問題，提出并設(shè)計一種雙接口的 V2G 充放電系統(tǒng)，利用兩個獨立回路間功率模塊投切借用的方式，實現(xiàn)了充電或放電過程中的功率擴展。通過試驗數(shù)據(jù)，可得到如下結(jié)論：

所提出的功率擴展方案靈活可靠、響應(yīng)準(zhǔn)確，進(jìn)一步提高了 V2G 充電樁的服務(wù)能力和效率；

下一步應(yīng)考察充放電過程中，功率擴展響應(yīng)的時效性，并驗證系統(tǒng)在更大功率產(chǎn)品中的應(yīng)用情況。

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(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年8月期)