摘要：基于對V2G功能的初步研究，建立了V2G(Vehicle to Grid)充放電機的模型，并進行了建模仿真研究。文章分別從結構和控制兩方面對充放電機的各個部分進行了詳細的敘述，搭建了實現緊急電源功能時的充放電機simulink仿真模型，并對這一模型的仿真結果進行了分析。結論證明該模型能夠實現V2G功能，滿足用戶的需求。
關鍵詞：充放電；電動汽車；變換器；整流器

目前，隨著智能電網項目的啟動和大規模建設充電站規劃的實施，V2G(Vehicle to Grid)正成為研究熱點。V2G是指電動汽車作為移動儲能單元在受控狀態下實現與電網的能量和信息的雙向交換功能。文獻對V2G的可行性進行了詳細分析。
根據文獻的描述，具有V2G功能的充電站應實現調頻、調峰和應急電源3項基本功能。文獻提出了一種電動汽車充放電系統模型，但是這種模型功能單一，只能并網運行運用于電動汽車電池充放電維護，滿足不了文獻介紹的具有V2G功能充電站的應用。
筆者在文獻的基礎上對文獻提出的充放電系統進行了改進和完善，建立了能夠實現充電站調頻、調峰和應急電源3項基本功能的充放電機仿真模型。

1 V2G充放電機的拓撲結構
為實現能能量的雙向流動和各個功能，主電路的拓撲由無隔離雙向半橋DC／DC結構和以IGBT為開關管的三相橋式結構組成，如圖1所示。充放電機的交流測與三相電網或重要負荷連接，直流側與電動汽車連接。

直流變換部分是無隔離雙向半橋DC／DC結構。放電時VT2處于常斷狀態，VT1處于開關狀態，相當于BOOST變換器。通過控制VT1的通斷調節占空比來控制輸出電壓。充電時VT1處于常斷狀態，VT2處于開關狀態，相當于BUCK變換器，這一結構可以靈活的根據充電的具體要求轉換控制方式，實現控制輸出電壓或電流的目的。該結構具有使用元件少、體積小、效率高的優點。
交直變換部分是以IGBT為開關管的三相橋式結構。傳統的相控橋式電路雖然在過去數十年中，為滿足不同的工作應用場合已經起到了不可或缺的作用，但是傳統的變換方法存在若干問題，如：功率因數低，使得線路損耗較大；注入電網的諧波過大，產生電磁干擾等。為解決這些問題并適應這些，采用以全控器件作為開關管的三相橋式拓撲結構成為趨勢。這種結構可以通過PWM控制方便的實現AC／DC、DC／AC的轉化。與傳統的相控整流電路相比，此結構還具有體積小、重量輕和動態響應速度高的優點。

2 控制模型的建立
2．1 總體控制模型
充放電機模型全部采用simulink模塊塔建，根據V2G充放電機的功能，控制部分主要分為恒流控制、BUCK恒壓控制、BOOST恒壓控制、電流電壓雙閉環控制、電壓PID控制和功率電流雙閉環控制6個子模塊。各個階段的功能由不同的子模塊組合完成，根據指示完成各個功能的轉換。

2．2 交直變換控制部分
在充電整流階段，電能從電網經過PWM整流橋，PWM的控制采用為達到功率因數正弦波電流的雙閉環控制。電流內環的作用是按電壓外環輸出的電流指令進行電流控制，為了達到較快的電流跟隨性能，本文按典型I型系統設計電流PI調節器。電壓外環的作用是控制三相PWM整流器的直流側電壓，應著重考慮電壓環的抗擾性能，因此按照典型Ⅱ型系統設計電壓外環PI調節器。
實現調峰、調頻功能時充放電機與電網并聯通過調節電流可以實現調節輸出功率的目的，所以采用直接電流跟蹤控制，使用功率電流雙閉環控制。電流內環是按功率外環輸出的電流指令進行電流控制，功率外環的作用是穩定輸出功率同時根據電壓頻率，以實現單位功率因數，改善系統的動態響應。
緊急電源功能在電網故障的情況下使用，這是充放電機就失去了電網的電壓嵌位作用。所以為了實現一功能時，采用電壓環PID控制，實時檢測輸出電壓與指定信號比較，控制輸出電壓幅值與頻率跟蹤給定信號。
2．3 直直變換控制部分
為實現充電模式的選擇，分別建立恒流和恒壓兩個不同的控制模塊。恒流階段采用電流跟蹤控制占空比，從而控制開關管的通斷，控制輸出電流恒定在一定值，電流值可根據需要和電池特性選擇。恒壓控制根據輸出電壓與輸入電壓計算占空比，然后根據計算所得占空比實時輸出控制脈沖。同時對電池SOC進行監控，實現根據SOC情況切換充電方式，實現恒壓恒流組合充電方式。
直直變換部分控制單元根據要求分為3部分，第一部分應用于放電階段恒壓控制單元，第二部分應用于充電階段的恒壓階段控制單元，第三部分應用在充電階段的恒流階段控制單元。放電階段直直變換部分相當于BOOST變換器，而充電階段相當與BUCK變換器，所以放電階段恒壓控制單元采用公式(1)計算占空比，充電階段采用公式(2)。

式中：U0是直流變換器輸出電壓；Ud是直流變換器輸入電壓；D是占空比；T是開關周期；toff關斷時間；ton是開通時間。
恒壓控制子單元分為兩部分，如圖2所示。第一部分采用前饋控制方法，根據輸入的開關管開關頻率、DC／DC變換器實測的電池端電壓和給定的輸出電壓計算占空比并輸出，計算開關管開通時間Ts和開關周期T。第二部分S2是脈沖波的產生與輸出模塊，可以根據出入的Ts和T實時控制脈沖的輸出。