电动汽车V2G系统及充放电控制策略研究

汽车与电网(Vehicle to Grid,简称V2G)间的双向互动技术越来越受到人们的关注。通过V2G技术,电网运行充裕度不足和效率低下、可再生能源接纳能力受限、电动汽车充放电不灵活与使用不经济等问题可以得到不同程度的缓解。在此背景下,V2G技术成为各国研究热点。V2G技术涉及电力系统、电动汽车、电池以及自动控制等多个领域,在多个学科存在交叉,目前对于V2G的研究,国内外尚处于探索阶段。本文主要就V2G负荷时空分布的预测方法、用户最优V2G控制策略、V2G能量变换系统以及双向充电机进行研究。为了揭示电动汽车V2G负荷在时间和空间上的分布特性,本文给出了一种电动汽车V2G负荷时空分布的预测方法。首先从交通规划的角度入手,基于交通出行量OD矩阵以及土地利用数据,结合电动汽车行驶及停放的时间特性,建立了停车需求的时空分布模型及电动汽车V2G负荷容量模型,分析了电动汽车行驶及停车的时空分布特性,给出了基于蒙特卡洛仿真的电动汽车V2G负荷时空分布的预测方法。以某市区为例,用所提出的V2G负荷预测方法进行仿真,分析了电动汽车备用行驶容量,单车充、放电功率以及日平均行驶里程对V2G负荷的影响,并对比了不同区域V2G负荷的差异。为了在电动汽车参与V2G服务的过程中实现用户收益的最大化,本文对基本电力服务类型进行了分析,得到了适用于V2G的服务类型。在此基础上,以分层控制体系中停车场为研究对象,针对慢充+二次调频服务以及慢充+二次调频+调峰服务给出用户侧最优的V2G控制策略。为了更加细致地计算V2G充放电引起的电池损耗成本,给出了一种基于典型工况的电池损耗计算方法。通过算例,分别从个人和停车场的角度对两类V2G服务产生的收益进行了仿真分析,并研究了充电机功率与日行驶里程对收益产生的影响,在此基础上针对电动汽车使用和停车场运营给出了相关建议,这可以为电动汽车用户和停车场参与V2G提供指导。为了探寻适合于V2G的能量变换系统结构,本文分析了传统充电系统存在的不足,并给出了一种基于有源前端控制器的共直流母线V2G能量变换系统结构,将原来需要由充电机完成的无功补偿、谐波抑制等功能交由有源前端控制器统一进行处理。对基于有源前端控制器的共直流母线V2G能量变换系统的原理进行了分析,并建立了V2G能量变换系统模型,并针对3k V、2MVA的5级级联系统进行仿真,对系统的功能和性能进行了验证。针对基于有源前端控制器的共直流母线V2G能量变换系统结构,提出了一种车载V2G充电机方案,首先分析了V2G系统及服务对车载双向充电机的要求,并针对目前车载充电机轻载损耗大的问题,采用双有源桥拓扑作为双向DC/DC充电机的主电路结构,结合单PWM移相控制策略,通过控制的方式实现宽功率范围软开关。设计了车载V2G充电机实验平台,通过实验验证了充电机设计方案的可行性。