一种基于电动汽车V2G的多端口交直流配电网潮流控制方法

技术领域

本发明涉及多端口交直流配电网控制技术领域，尤其是涉及一种基于电动汽车V2G的多端口交直流配电网潮流控制方法。

背景技术

目前，汽车到电网(Vehicle to Grid，V2G)技术正受到人们的广泛关注，通过V2G技术，电网效率低以及可再生能源波动的问题不仅可以得到很大程度的缓解，还可以为电动车用户创造收益。随着智能电网与新能源的发展，电动汽车(EV)的数量显著增加，新的充电技术和电网技术应运而生。由于能减少二氧化碳气体排放等的特点，电动汽车(EV)近年来得到了广泛的支持。基于这种情况，现有技术展开了以下研究：电动汽车作为分布式能源并为电网提供额外服务，即在汽车到电网(V2G)模型中，收集电动汽车用于提供能源服务，包括电动汽车对电网的补充服务。同时，物联网(IoT)技术呈指数增长，有相应功能的传感器和设备也陆续出现在交通系统中，为道路、设备和车辆提供智能化服务。

可再生能源系统(如太阳能，风能等)正被大量接入电力系统中。由于可再生能源自然的不连续性会引起发电的波动，迫切需要其他能源(如电池能量存储系统)进行补偿，以平滑可再生能源的自然可变性，保证电网频率的稳定并抑制由反向功率流引起的电压上升。V2G的概念就是针对上述问题提出的，其核心思想就是利用大量电动汽车的储能源作为电网和可再生能源的缓冲。当电动汽车不使用时，车载电池的电能销售给电网的系统。如果车载电池需要充电，电流则由电网流向车辆。因此，如何有效规划电动汽车的充电和放电以实现V2G的功能非常重要。

发明内容

本发明提供了一种基于电动汽车V2G的多端口交直流配电网潮流控制方法，目的在于解决当多个交流配电网络与具有V2G功能的电动汽车通过直流网络并联实现互联互济时，如何合理分配电动汽车充放电功率，以提高配电网的设备利用率及运行可靠性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于电动汽车V2G的多端口交直流配电网潮流控制方法，包括以下步骤：

1)确定一个多端口交直流配电网，所述多端口交直流配电网包含多个交流配电网输入端口及对应数量的配电变压器，各个配电变压器低压侧接交流负荷及一个AC/DC变流器，各个AC/DC变流器的直流侧通过直流母线互联，电动汽车负荷通过DC/DC变流器连接所述直流母线；

2)监测各个配电变压器交流负荷侧的三相输入电压及三相输入电流，以计算各个配电变压器的交流负荷；

3)获取各个配电变压器的额定容量；

4)基于所述各个配电变压器的交流负荷及额定容量，计算各个配电变压器剩余可用容量阈值；

5)基于所述各个配电变压器剩余可用容量阈值，实时更新电动汽车的充电价格及放电价格；

6)基于所述电动汽车的充电价格及放电价格，实时更新电动汽车的充电功率及放电功率；

7)计算AC/DC变流器功率参考值，进而计算AC/DC变流器直流侧电流参考值；基于所述电动汽车的充电功率及放电功率，计算DC/DC变流器功率参考值，进而计算DC/DC变流器电感电流的参考值；

8)基于所述直流侧电流参考值，实现对AC/DC变流器功率的控制；基于所述电感电流参考值，实现对DC/DC变流器功率的控制；

9)AC/DC变流器在整流状态下通过下垂控制实现多端口交直流配电网功率的动态分配，实现配电网和电动汽车之间的功率流动；AC/DC变流器在逆变状态下通过恒功率控制避免变压器出现过载；

10)DC/DC变流器在Buck模式时通过恒功率控制实现电动汽车以恒电流充电，DC/DC变流器在Boost模式时通过下垂控制实现放电功率的按容量分配。

进一步地，该控制方法为双层控制策略，双层控制包括上层控制及下层控制，步骤1)至步骤6)由上层控制完成，步骤7)至步骤10)由下层控制完成。

进一步地，所述计算各个配电变压器的交流负荷表达式为：

其中，S

进一步地，所述计算各个配电变压器剩余可用容量阈值的表达式为：

S

其中，S

进一步地，基于各个配电变压器剩余可用容量阈值，实时更新电动汽车的充电价格及放电价格，具体为：

在电网处于用电高峰时，提高电动汽车的充电价格和放电价格；

在电网处于用电低谷时，降低电动汽车的充电价格和放电价格。

进一步地，基于电动汽车的充电价格及放电价格，实时更新电动汽车的充电功率及放电功率，具体为：采用V2G的控制策略，基于电动汽车的充电价格、放电价格以及SOC状态，来判断电动汽车的充放电状态，从而得到实时更新的电动汽车的充电功率及放电功率。

进一步地，所述计算AC/DC变流器功率参考值，其表达式为：

其中，P

进一步地，基于所述电动汽车的充电功率及放电功率，计算DC/DC变流器功率参考值，其表达式为：

其中，P

进一步地，基于变流器功率参考值，计算变流器电流参考值I

其中，P

基于AC/DC变流器功率参考值，得到AC/DC变流器直流侧电流参考值I

基于DC/DC变流器功率参考值，得到DC/DC变流器电感电流参考值I

进一步地，基于所述直流侧电流参考值，实现对AC/DC变流器功率的控制，包括以下步骤：

获取AC/DC变流器直流侧电流实测值，将该实测值与所述AC/DC变流器直流侧电流参考值作差，获得误差值，将该误差值经过PI模块获得电流d轴分量的参考量Id*；

获取AC/DC变流器交流测三相电流，将三相电流转换至dq坐标系下，获取dq坐标系下的电流Id及Iq，将Id*与Id值作差，并对该差值进行PI控制；

获取AC/DC变流器交流侧三相电压，将三相电压转至dq坐标系下，获取dq坐标系下的电压Ud及Uq，以对AC/DC变流器交流侧电流计算结果进行解耦；

将所述解耦后的交流侧电流结果进行dq/abc反变换，并输入到PWM波形生成器中，产生6路PWM信号控制AC/DC变流器中IGBT的导通与关断，进而实现对AC/DC变流器功率的控制。

进一步地，基于所述电感电流参考值，实现对DC/DC变流器功率的控制，包括以下步骤：

获取DC/DC变流器电感电流实测值，将该实测值与所述DC/DC变流器电感电流参考值作差，获得误差值，将该误差值经过PI模块输入到PWM波形生成器中，产生2路PWM信号控制DC/DC变流器中IGBT的导通与关断，进而实现对DC/DC变流器功率的控制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用双层控制策略，双层控制包括上层控制及下层控制，在上层控制中提出了基于分时电价的V2G控制策略对配电网进行潮流控制，同时考虑了电网和用户的利益；在下层控制中基于实时计算的变压器剩余可用容量阈值来避免变压器容量过载的发生，通过对直流电流进行PI控制来维持直流电压的稳定，从而实现功率在变流器之间合理分配，提高了配电网的设备利用率及运行可靠性。

2、现有技术中，某些V2G技术与多个配电变压器之间的控制策略需要知道全系统的所有变压器、变流器等相关参数来完成；本发明只需计算变流器所在线路的配电变压器剩余容量参数以及电动汽车的电池状态即可利用V2G技术实现电动汽车充放电功率与配电变压器容量之间的动态分配，实现方法简单，易操作。

3、现有技术中，传统下垂控制方法是固定下垂系数，只能实现功率均分，不能适应功率变化，易使变压器过载；本方法通过计算配电变压器剩余可用容量阈值，能够实现对交流器输出功率的控制，进而避免变压器过载问题的发生。

附图说明

图1为本发明的实施流程图；

图2为多端口交直流配电网的拓扑结构示意图；

图3为双层控制策略的逻辑示意图；

图4为AC/DC变流器处于整流状态时的控制框图；

图5为DC/DC变流器控制框图；

图6为分时电价策略示意图；

图7为A电网和B电网都处于中载状态时V2G的控制策略示意图；

图8为A电网处于轻载或过载状态，B电网处于中载状态时V2G的控制策略示意图；

图9为A、B电网都处于轻载或过载状态时V2G的控制策略示意图；

图10为变压器在轻载和中载状态下，变流器和电动汽车输出功率的仿真分析结果；

图11为变压器在轻载和中载状态下输出功率的仿真分析结果；

图12为变压器在中载和过载状态下，变流器和电动汽车输出功率的仿真分析结果；

图13为变压器在中载和过载状态下输出功率的仿真分析结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：

如图1所示，一种基于电动汽车V2G的多端口交直流配电网潮流控制方法，包括以下步骤：

1)确定一个多端口交直流配电网，多端口交直流配电网包含多个交流配电网输入端口及对应数量的配电变压器，各个配电变压器低压侧接交流负荷及一个AC/DC变流器，各个AC/DC变流器的直流侧通过直流母线互联，电动汽车负荷通过DC/DC变流器连接直流母线；

2)监测各个配电变压器交流负荷侧的三相输入电压及三相输入电流，以计算各个配电变压器的交流负荷；

3)获取各个配电变压器的额定容量；

4)基于各个配电变压器的交流负荷及额定容量，计算各个配电变压器剩余可用容量阈值；

5)基于各个配电变压器剩余可用容量阈值，实时更新电动汽车的充电价格及放电价格；

6)基于电动汽车的充电价格及放电价格，实时更新电动汽车的充电功率及放电功率；

7)计算AC/DC变流器功率参考值，进而计算AC/DC变流器直流侧电流参考值；基于电动汽车的充电功率及放电功率，计算DC/DC变流器功率参考值，进而计算DC/DC变流器电感电流的参考值；

8)基于直流侧电流参考值，实现对AC/DC变流器功率的控制；基于电感电流参考值，实现对DC/DC变流器功率的控制；

9)AC/DC变流器在整流状态下通过下垂控制实现多端口交直流配电网中直流配电网功率的动态分配，实现交流配电网和电动汽车之间的功率流动；AC/DC变流器在逆变状态下通过恒功率控制避免变压器出现过载；

10)DC/DC变流器在Buck模式时通过恒功率控制实现电动汽车以恒电流充电，DC/DC变流器在Boost模式时通过下垂控制实现放电功率的按容量分配。

该控制方法为双层控制策略，双层控制包括上层控制及下层控制，步骤1)至步骤6)由上层控制完成，步骤7)至步骤10)由下层控制完成。

参照图1～7，为本发明提供的一个较佳实施例，提供了一种基于电动汽车V2G的多端口交直流配电网潮流控制方法，包括以下步骤：

S1：确定一个多端口交直流配电网，并获取交流负荷侧三相输入电压、三相输入电流，实时计算交流负荷；

本实施例中，建立多端口交直流配电网模型，该模型包括：n个交流配电网和m个电动汽车，n>0，且m>0；其中交流配电网由电网通过配电变压器与交流负荷相接，然后通过AC/DC变流器连接到直流母线上。电动汽车通过DC/DC变流器连接在直流母线上，并通过公共直流母线与交流配电网耦合在一起。

应说明的是，建立多端交直流配电网模型是为了模拟实际场景下的配电网运行状态。

更进一步的，获取交流负荷侧三相输入电压、三相输入电流，实时计算交流负荷大小，计算公式为：

其中，S

S2：基于所述交流负荷和变压器额定容量，实时动态计算各配电变压器剩余可用容量阈值；

进一步的，首先需要获取配电区域内各配电变压器额定容量；

应说明的是，上述数据均可通过所建立的多端交直流配电网模型直接获取；

更进一步的，基于交流负荷和变压器额定容量，计算各配电变压器剩余可用容量阈值，计算公式表示为：

S

其中，S

应说明的是，传统下垂控制是固定下垂系数，只能实现功率均分，不能适应功率变化，易使变压器过载；本方法通过计算剩余可用容量阈值能够实现对交流器输出功率的控制，进而避免变压器过载问题的发生。

S3：基于所述配电变压器剩余可用容量阈值，实时更新电动汽车充放电价格；

在上层控制中根据多个配电网的实时状态，分别对多个配电网的充放电价格进行动态调整。

在电网的处于用电高峰时，提高电动汽车的充电价格和放电价格，电动汽车用户为配电网进行供电。

在电网处于用电低谷时，降低电动汽车的充电价格和放电价格，鼓励电动汽车用户充电。

S4：基于电动汽车充放电价格，在上层控制中实时更新电动汽车的充放电功率，具体为：采用V2G的控制策略，根据电动汽车的充放电价以及SOC状态，来判断电动汽车的充放电状态，从而得到实时更新的电动汽车的充放电功率。

进一步的，获取直流母线电压U

更进一步的，基于变流器功率参考值的计算公式，获得AC/DC变流器和DC/DC变流器功率参考值，AC/DC变流器功率参考值的计算公式表示为：

其中，P

值得说明的是，当U

其中，P

值得说明的是，当U

更进一步的，基于变流器功率参考值P

其中，P

具体地，AC/DC变流器直流侧电流参考值I

DC/DC变流器电感电流参考值I

S5：基于所述电流参考值控制AC/DC变流器和DC/DC变流器的功率；

基于直流侧电流参考值，实现对AC/DC变流器功率的控制，包括以下步骤：

获取AC/DC变流器直流侧电流实测值，将该实测值与AC/DC变流器直流侧电流参考值作差，获得误差值，将该误差值经过PI模块获得电流d轴分量的参考量Id*；

获取AC/DC变流器交流测三相电流，将三相电流转换至dq坐标系下，获取dq坐标系下的电流Id及Iq，将Id*与Id值作差，并对该差值进行PI控制；

获取AC/DC变流器交流侧三相电压，将三相电压转至dq坐标系下，获取dq坐标系下的电压Ud及Uq，以对AC/DC变流器交流侧电流计算结果进行解耦；

需要知道的是，三相PWM变流器通过旋转坐标变换得到的表达式d、q变量是耦合在一起的，需要进行解耦。

进一步的，将解耦后交流侧电流结果进行dq/abc反变换，输入到PWM波形生成器中，产生PWM信号控制AC/DC变流器中IGBT导通与关断，进而实现对AC/DC变流器功率的控制。

基于电感电流参考值，实现对DC/DC变流器功率的控制，包括以下步骤：

获取DC/DC变流器电感电流实测值，将该实测值与DC/DC变流器电感电流参考值作差，获得误差值，将该误差值经过PI模块输入到PWM波形生成器中，产生2路PWM信号控制DC/DC变流器中IGBT的导通与关断，进而实现对DC/DC变流器功率的控制。

需要知道的是，PWM信号会通过Simulink仿真中的模块实现对IGBT的导通与关断控制。

应说明的是，有些V2G技术与多个配电变电变压器之间的控制策略需要知道全系统的所有变压器、变流器等相关参数来完成；本发明只需知道变流器所在线路中配电变压器剩余容量参数以及电动汽车的电池状态即可利用V2G技术实现电动汽车充放电功率与配电变压器容量之间的动态分配，实现方法简单，易操作。

参照图2至图13，为本实施例为了验证本发明的有益效果，通过仿真实验进行科学论证的结果。

图2为多端口交直流配电网的拓扑结构，它由n个交流配电网和m个电动汽车组成，n>0，且m>0。其中交流配电网由电网通过变压器与交流负荷相接，然后通过AC/DC变换器连接到直流母线上。电动汽车通过DC/DC变换器连接在直流母线上，通过公共直流母线与交流配电网耦合在一起。在本实施例的仿真实验中，以两个变压器容量为250kVA的交流配电网为例搭建仿真模型。

图3为双层控制策略的逻辑图，上层控制是基于分时电价的V2G控制策略，它与交流配电网和EV交换信息，通过监测交流配电变压器的剩余容量和电动汽车的SOC状态以及交流配电网的充放电价为电动汽车提出充放电策略，从而实现了交直流配电网的潮流控制。下层控制是AC/DC变流器的整流和逆变策略以及DC/DC变流器的充电和放电策略，当AC/DC变流器处于整流状态时控制框图如图4所示，采用自适应下垂控制通过检测交流配电网变压器的剩余容量改变下垂系数来分配直流网络的功率，实现了交流配电网和EV之间的功率流动，当AC/DC变流器处于逆变状态时，变流器采用恒功率控制补偿变压器的过载功率。当DC/DC变流器在buck模式时通过恒功率控制实现电动汽车充电，在boost模式时通过下垂控制实现放电功率的按容量分配，此时DC/DC变流器控制框图如图5所示。其中，图4中所表示的公式(1)指AC/DC变流器功率参考值的计算公式，图5中所表示的公式(2)指DC/DC变流器功率参考值的计算公式。

图6所示为分时电价策略，根据配电变压器的剩余可用容量阈值，分别对每个配电网的充放电价格进行动态调整。在电网的处于用电高峰时，提高电动汽车的充电价格和放电价格，电动汽车用户为配电网进行供电。在电网处于用电低谷时，降低电动汽车的充电价格和放电价格，鼓励电动汽车用户充电。

当多端交直流配电网交流配电网的个数为2时，图7、8、9所示为相应的V2G的控制策略，根据电动汽车的充放电价格以及SOC状态，对每辆电动汽车的充放电模式进行调整，从而得到此时电动汽车的充放电功率。这一策略同时考虑DSO和EV用户的利益。其中，电动汽车的放电容量根据电动汽车电池SOC(State Of Charge)，即电池荷电状态决定。

1.当电动汽车电池SOC>70％时，电池电量比较充足，允许电池放电。

2.当电动汽车电池SOC<30％时，电池电量比较匮乏，仅能满足行驶需要，更倾向于充电行为。

3.在放电工作状态下，为了防止过放对电池产生损害，加入限制环节，当检测到电池SOC低于5％自动停止放电。

4.在充电模式时，为了防止大电流充电对电池造成损害，当电池SOC>90％时，充电桩自动转为小电流涓流充电，此时额定充电电流I＝5A。

由图7可知，假设A电网和B电网都处于中载状态时，电动汽车的充放电依据此时的电网电价和放电容量决定，当放电容量充足时，如果放电电价如果高于用户设定值就放电，电价如果低于设定值，电动汽车就充电。当放电容量不足时，电动汽车就充电。

假设A电网处于轻载或过载状态，B电网处于中载状态时，就要判断A电网是处于轻载还是过载状态，控制策略如图8所示。A电网如果处于过载状态，根据分时电价策略，此时放电电价较低，如果没有达到用户设定的放电电价，优先由存有剩余容量的B电网为A电网提供功率。A电网如果处于轻载状态，此时充电价格低，电动汽车优先充电并且充电功率优先由A电网提供。当A电网处于中载状态，B电网处于轻载或过载状态时同理。

当A、B电网都处于轻载或过载状态时，就要分情况讨论，其逻辑策略如图9所示。当A电网处于过载状态，B电网也处于过载状态，由分时电价策略可知，此时电动汽车的充放电电价最高，建议电动汽车对电网放电。当A、B电网一个处于过载状态，一个处于轻载状态时，电网还是有很多剩余容量，此时电动汽车的充放电电价适中，充电价格低于放电价格，电动汽车建议充电，由轻载电网向过载电网供电。当A、B电网都处于轻载状态，此时的充放电电价最低，空闲的电动汽车全部进行充电。

仿真中多端交直流配电网的仿真模型的交流侧由1号和2号两个配电网组成。设1号电网的变压器为T1，AC-DC变流器为VSC1，B电网的变压器为T2，AC-DC变流器为VSC2。图10、图11所示为变压器在轻载和中载状态的仿真分析结果。仿真的初始条件为每个变压器的额定功率为250kW，直流侧电动汽车的充放电功率总共为40kW，交流侧负荷PL1、PL2分别设置为20kW和100kW，此时T1处于轻载状态，T2处于中载状态。在t＝0.3s时，交流侧负荷PL1增大为150kW，此时两台变压器均处于中载状态。在t＝0s时，变压器T1处于轻载状态，根据图4可知，此时电动汽车处于充电状态，充电功率T1提供。在t＝0.3s时，变压器T1、T2均处于中载状态，根据图4可知，电动汽车仍处于充电状态，此时两台变压器均采用自适应下垂控制按照变压器的剩余容量分配电动汽车的充电功率。VSC1提供16kW功率，T1输出166kW功率，VSC2提供24kW功率，T2输出124kW功率，仿真结果图如图10、11所示。

图12、图13所示为变压器在中载和过载状态的仿真分析结果。仿真的初始条件为每个变压器的额定功率为250kW，直流侧电动汽车在充放电功率总共为60kW，交流侧负荷PL1、PL2分别设置为300kW和100kW，此时T1处于过载状态，T2处于中载状态。在t＝0.3s时，交流侧负荷PL2增大为260kW，此时两台变压器均处于过载状态。在t＝0s时，根据图4，电动汽车优先充电。在t＝0.3s时，根据图4，变压器T1过载50kW，变压器T2过载10kW，此时电动汽车应该处于放电状态。VSC1吸收功率50kW，VSC2吸收功率10kW，EV输出功率60kW，T1和T2最终都为250kW，仿真结果图如图12、13所示。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。