周 瑋 藍嘉豪 麥瑞坤 何正友

無線充電電動汽車V2G模式下光儲直流微電網(wǎng)能量管理策略

周 瑋1,2藍嘉豪2麥瑞坤1,2何正友1,2

（1. 磁浮技術(shù)與磁浮列車教育部重點實驗室（西南交通大學(xué)） 成都 611756 2. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 成都 611756）

隨著電動汽車數(shù)量與負荷的激增，構(gòu)建實現(xiàn)低碳、靈活、穩(wěn)定的電動汽車充電方式至關(guān)重要。該文融合直流微電網(wǎng)以及無線電能傳輸、車網(wǎng)互聯(lián)（V2G）等技術(shù)，重點研究無線充電電動汽車V2G模式下光儲直流微電網(wǎng)能量管理策略。分別建立光伏、無線充電電動汽車、網(wǎng)側(cè)儲能數(shù)學(xué)模型?？紤]光伏出功與負載狀態(tài)，推導(dǎo)無線充電電動汽車最優(yōu)效率饋網(wǎng)的臨界條件，給出超出臨界點后網(wǎng)側(cè)儲能的出力函數(shù)?；诖?，定義直流微電網(wǎng)三種運行模式及其邊界條件，設(shè)計上層控制器實現(xiàn)三種模式間的切換。搭建實驗系統(tǒng)，驗證不同負荷下所提出的分層控制算法可有效維持母線電壓穩(wěn)定，并且保持光伏系統(tǒng)的最大功率與無線電能傳輸系統(tǒng)的最優(yōu)效率運行。

直流微電網(wǎng) 光伏 無線電能傳輸 車網(wǎng)互聯(lián) 電動汽車

0 引言

近年來，在“雙碳”目標的政策引領(lǐng)下，我國電動汽車（Electric Vehicle, EV）產(chǎn)業(yè)取得長足發(fā)展，大力普及新能源汽車已經(jīng)成為我國的既定方針和未來趨勢。然而隨著EV數(shù)量與充電負荷的爆發(fā)性增長，如何實現(xiàn)低碳、靈活、穩(wěn)定的EV充電成為當今研究的熱點。

在電網(wǎng)構(gòu)架方面，現(xiàn)有EV充電主要依賴傳統(tǒng)電網(wǎng)，該方式存在以下兩點問題：①EV快速充電的負荷沖擊性以及時間-空間無序性給電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻帶來巨大挑戰(zhàn)；②我國當前的發(fā)電結(jié)構(gòu)仍然以火電為主，新增的EV負荷會加劇使用化石能源導(dǎo)致的碳排放問題。因此，一種將EV充電樁與分布式可再生能源有機結(jié)合的光儲直流微電網(wǎng)應(yīng)運而生[1-4]，有助于可再生能源的就地消耗，降低EV對大電網(wǎng)的依賴。

在車-網(wǎng)能量交互方面，為進一步平抑用電高峰和低谷期的電網(wǎng)波動，車網(wǎng)互聯(lián)（Vehicle to Grid, V2G）技術(shù)被引入電網(wǎng)[5-9]，將EV作為儲能設(shè)備參與到電網(wǎng)的能量管理中，從而實現(xiàn)削峰填谷的作用。因此，基于光儲直流微電網(wǎng)和V2G技術(shù)的EV與電網(wǎng)的交互模式具有諸多優(yōu)勢。

在車-網(wǎng)電氣接口方面，目前常見的基于充電樁的有線接口在頻繁插拔后容易出現(xiàn)接口磨損氧化、局部過熱以及漏電等安全隱患。無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術(shù)作為一種新興供電模式，從根本上消除了電氣接口的物理接觸，具有靈活便捷、安全可靠等優(yōu)勢[10-17]，是車-網(wǎng)電氣接口的優(yōu)選方案。

圍繞基于直流微電網(wǎng)和WPT技術(shù)的EV充電，現(xiàn)有研究主要呈現(xiàn)兩大特征：①微電網(wǎng)側(cè)和EV-WPT側(cè)相互獨立；②僅針對EV-WPT系統(tǒng)的正向充電工況展開研究。文獻[18]提出了采用光儲組合系統(tǒng)為WPT電動汽車充電的微網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在提高充電靈活性的同時，有效解決電動汽車對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊。文獻[19]研究了含無線充電路面的移動微網(wǎng)優(yōu)化運行策略，通過無線充電路面實現(xiàn)節(jié)點間的功率轉(zhuǎn)移，太陽能消納量可提高20%。文獻[20]針對無線充電系統(tǒng)特性以及電網(wǎng)特性，提出了將二者結(jié)合的微電網(wǎng)能量鏈路優(yōu)化方法。文獻[21]將無線充電電動汽車融入風(fēng)光互補的微電網(wǎng)中，文中著重于微電網(wǎng)的上層控制器設(shè)計，建立了微電網(wǎng)的分層控制策略。文獻[22]針對含有動態(tài)無線充電的直流微電網(wǎng)，基于Simulink優(yōu)化工具包對系統(tǒng)的容量進行了優(yōu)化配置，仿真結(jié)果表明優(yōu)化后的系統(tǒng)可以在保證電動汽車充電功率需求下充分利用可再生能源。文獻[23]提出一種由光伏電池供電的無線充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了在不同的光照環(huán)境下維持直流母線的電壓穩(wěn)定?？傊F(xiàn)有研究主要圍繞結(jié)合直流微電網(wǎng)的EV無線充電過程，但是EV作為分布式儲能單元，基于WPT技術(shù)的V2G模式下的光儲直流微電網(wǎng)的能量管理問題也亟待研究。

本文以孤島運行的光儲直流微電網(wǎng)為研究對象，重點探究因光伏（Photovoltaic, PV）發(fā)電與網(wǎng)側(cè)儲能不足而無法滿足電網(wǎng)負荷需求時，無線充電電動汽車V2G模式下的光儲直流微電網(wǎng)能量管理策略。在確保PV最大功率運行、WPT系統(tǒng)最優(yōu)效率饋能的前提下，填補電網(wǎng)功率缺額，實現(xiàn)母線電壓穩(wěn)定。最后搭建實驗系統(tǒng)，在不同電網(wǎng)負載條件下，驗證了所提策略的正確性與有效性。

1 微網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)架與數(shù)學(xué)建模

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文所研究的無線充電電動汽車V2G模式下的光儲直流微電網(wǎng)如圖1所示。

圖1 WPT電動汽車V2G模式下的光儲直流微網(wǎng)系統(tǒng)

微網(wǎng)系統(tǒng)由網(wǎng)側(cè)儲能、PV電池以及工作于V2G模式的EV-WPT系統(tǒng)組成。其中EV-WPT系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)級聯(lián)雙向Buck-Boost變換器以實現(xiàn)系統(tǒng)V2G模式最大效率追蹤（Maximum Power Efficiency Tracking, MPET）；PV電池級聯(lián)Buck-Boost變換器實現(xiàn)在不同輻照強度及溫度下的最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking, MPPT）；網(wǎng)側(cè)儲能級聯(lián)雙向DC-DC單元與EV-WPT系統(tǒng)DC-AC模塊共同實現(xiàn)母線電壓控制。除底層MPET、MPPT和母線電壓控制外，系統(tǒng)設(shè)置有上層能量管理單元，依據(jù)負荷功率、PV最大功率等信息切換微電網(wǎng)工作模式，以保障各單元的合理運行和母線電壓穩(wěn)定。

1.2 PV系統(tǒng)模型

由于光伏電池的-曲線具有非線性，為確保不同輻照強度與溫度條件下PV系統(tǒng)輸出最大功率m，本文采用四管Buck-Boost變換器進行MPPT控制[24-25]。光伏系統(tǒng)拓撲如圖2所示。該拓撲具有輸入輸出同極性、輸入電壓范圍寬、雙向均可升降壓和開關(guān)管應(yīng)力小等優(yōu)點，故在本文中被應(yīng)用于PV系統(tǒng)以及EV-WPT系統(tǒng)。變換器驅(qū)動信號Q1與Q4、Q2與Q3分別對應(yīng)相同，上下兩橋臂開關(guān)交替導(dǎo)通，控制占空比與變流器電壓增益關(guān)系為

圖2 光伏系統(tǒng)

1.3 V2G模式下EV-WPT系統(tǒng)模型

V2G模式下EV-WPT系統(tǒng)電路如圖3所示，系統(tǒng)采用串聯(lián)補償拓撲，該拓撲具有恒流輸出特性，并網(wǎng)后不會帶來環(huán)流問題[26]。其中p、s分別為兩側(cè)回路內(nèi)阻，p、s為補償電容，分別與線圈自感諧振。雙向Buck-Boost實現(xiàn)WPT的最優(yōu)效率跟蹤，車載H橋變流器采用移相控制實現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定。

圖3 V2G模式下EV-WPT系統(tǒng)

式中，L為微電網(wǎng)負載等效電阻；bus為母線電壓；PV為PV系統(tǒng)MPPT時的輸出功率。

由控制雙向DC-DC變換器占空比為，可以得到DC-DC變換器電壓增益，進而系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)等效負載阻抗折算到地面端H橋變流器直流側(cè)為

進一步折算到地面端H橋變流器交流側(cè)為

EV-WPT系統(tǒng)在充電模式與放電模式下的等效電路一致，如圖4所示。

圖4 EV-WPT系統(tǒng)等效電路

列寫等效電路的KVL方程為

該效率表達式適用于充電模式與放電模式。令d/deq=0，系統(tǒng)最優(yōu)效率對應(yīng)的等效負載為

由于線圈內(nèi)阻極小，即()2ps，當一次、二次側(cè)匝數(shù)相近時，可假設(shè)p≈s。因此，最優(yōu)負載近似為

由式（2）～式（4）和式（9）可得，EV-WPT系統(tǒng)最優(yōu)效率所對應(yīng)的占空比應(yīng)滿足

對于的下界，由于EV-WPT系統(tǒng)車載端H橋變流器采用移相控制，因此存在最大出力約束，即移相值為0時輸出電流達最大值。此時，當?shù)刃ж撦d為最優(yōu)負載的條件下系統(tǒng)輸出電流為

此外，由于DC-DC變換器輸入輸出電流關(guān)系為

令d≤dmax，得到變換器占空比的約束條件為

結(jié)合式（10）和式（14），以及0＜＜1的取值范圍，得到EV-WPT控制占空比與微電網(wǎng)的源-荷關(guān)系如圖5所示。聯(lián)立曲面limit(PV,L)及(PV,L)，可知二者相交于一個曲線，該曲線在面上的投影PV(L)為

由圖5及式（15）可知，EV-WPT系統(tǒng)出力受DC-DC變換器占空比限制，存在兩個邊界：當電網(wǎng)負載L過小而PV出功充足時，DC-DC變換器占空比接近1，此時EV退出V2G模式，轉(zhuǎn)入充電模式；當負載過大而PV出功不足時，即（PV,L）位于曲線左側(cè)時，EV-WPT系統(tǒng)的最優(yōu)效率與母線電壓兩個控制目標產(chǎn)生矛盾，此時為保證EV-WPT系統(tǒng)的高效運行，微網(wǎng)系統(tǒng)將啟用網(wǎng)側(cè)儲能填補功率缺額，下節(jié)討論網(wǎng)側(cè)儲能模型。

1.4 網(wǎng)側(cè)儲能系統(tǒng)模型

基于半橋式雙向DC-DC變換器的網(wǎng)側(cè)儲能電路如圖6所示。

圖6 網(wǎng)側(cè)儲能系統(tǒng)電路

由KCL定律可知，在保持母線電壓恒定的前提下，PV、EV-WPT及網(wǎng)側(cè)儲能三者協(xié)同時網(wǎng)側(cè)儲能輸出電流bat應(yīng)滿足

式中，WPT為EV-WPT系統(tǒng)全出力狀態(tài)下的輸出電流。母線電壓由網(wǎng)側(cè)儲能電路進行控制，因此

由式（9）的最大效率表達式可得

聯(lián)立式（17）和式（18）解出β與IWPT并代入式（16），可解得PV電池-WPT-網(wǎng)側(cè)儲能協(xié)同運行下，網(wǎng)側(cè)儲能的出力函數(shù)Ibat (PPV, RL)如圖7所示。

2 微電網(wǎng)系統(tǒng)控制與能量管理

為實現(xiàn)孤島微電網(wǎng)能量利用效率的最大化，即PV電池的MPPT與EV-WPT系統(tǒng)MPET，本文提出能量梯次利用的三種運行模式，如圖8所示。

圖8 直流微電網(wǎng)模式劃分

圖8中，縱坐標表示不同負荷功率需求，根據(jù)功率需求的大小將微網(wǎng)系統(tǒng)分為三種不同運行模式。

模式Ⅰ：僅PV系統(tǒng)出功。此時負載功率較低，網(wǎng)側(cè)儲能及EV作為負荷進行充電。若所有負荷仍無法消納PV系統(tǒng)工作于MPPT下的輸出功率，則PV系統(tǒng)采取恒壓控制，該模式不屬于本文范疇。

模式Ⅱ：工作于MPPT下的PV系統(tǒng)與工作于V2G模式下的EV-WPT系統(tǒng)協(xié)同出力。PV系統(tǒng)提供基礎(chǔ)功率，剩余的功率缺額由工作于MPET下的EV-WPT系統(tǒng)饋網(wǎng)填補。同時，母線電壓由EV-WPT車載端H橋變流器移相調(diào)節(jié)進行控制。

模式Ⅲ：PV、工作于V2G模式下的EV-WPT、網(wǎng)側(cè)儲能協(xié)同出力。此時負荷功率較大，為保證運行于MPET模式，僅依靠EV-WPT系統(tǒng)無法填補功率缺額，因此投入網(wǎng)側(cè)儲能填補功率缺額，同時參與維持母線電壓穩(wěn)定。

微電網(wǎng)系統(tǒng)的整體控制策略如圖9所示。圖9中，為WPT系統(tǒng)車載端H橋變流器移相角，為網(wǎng)側(cè)儲能DC-DC占空比?？刂葡到y(tǒng)由兩層控制結(jié)構(gòu)組成，底層控制由各變換器的控制單元實現(xiàn)，負責(zé)達成MPPT、MPET和母線穩(wěn)壓等控制目標；上層控制則作為系統(tǒng)的能量管理單元，負責(zé)處理采集電氣信息，計算系統(tǒng)運行狀態(tài)并決策運行模式，最后向下層控制器發(fā)出動作指令。

上層能量管理單元控制流程如圖10所示，各單元動作判據(jù)基于微電網(wǎng)系統(tǒng)的功率缺額vac，即

式中，η為光伏DC-DC變換器的效率；VbusIL為負荷所需功率；VPVIPV為工作于MPPT下的PV輸出功率。

圖10 上層能量管理單元控制流程

當vac≤0時，PV電池可以滿足負荷需求，EV及網(wǎng)側(cè)儲能無需出力，即系統(tǒng)工作在模式Ⅰ；當0＜vac≤*，此時工作于MPET下的EV-WPT系統(tǒng)可填補負荷缺額功率，即系統(tǒng)工作在模式Ⅱ；當vac＞*，此時EV-WPT系統(tǒng)無法在最優(yōu)效率傳輸?shù)耐瑫r維持母線電壓穩(wěn)定，剩余的功率缺額由網(wǎng)側(cè)儲能填補，即系統(tǒng)工作在模式Ⅲ。

為實現(xiàn)PV系統(tǒng)MPPT控制，由于光伏電池-曲線為單極值函數(shù)，本文采用擾動觀察算法，通過不斷擾動DC-DC占空比實現(xiàn)最大功率跟蹤。

EV-WPT系統(tǒng)的MPET控制算法框圖如圖11所示。首先通過檢測整流器輸出電壓、電流，計算等效負載i，將經(jīng)過比例環(huán)節(jié)得到交流測等效負載eq。根據(jù)二次側(cè)直流電壓計算推出二次側(cè)線圈電壓有效值，根據(jù)式（9）可計算出互感抗。

圖11 EV-WPT系統(tǒng)MPET控制框圖

Fig.11 MPET control diagram of EV-WPT system

最后將與eq的誤差進行PI運算，運算結(jié)果輸出為DC-DC占空比，從而進行實時MPET控制。

本系統(tǒng)采用的母線電壓控制有兩種，控制器的投入與否由能量管理單元的模式選擇器根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)使能，母線電壓穩(wěn)定控制框圖如圖12所示。模式Ⅱ中電壓控制由EV-WPT系統(tǒng)車載端H橋變流器執(zhí)行，利用PI運算實現(xiàn)電壓與設(shè)定值的無差跟蹤，將運算結(jié)果輸出為移相角指令；模式Ⅲ中，電壓控制由網(wǎng)側(cè)儲能DC-DC變換器，采用PI控制實現(xiàn)電壓穩(wěn)定。

圖12 母線電壓穩(wěn)定控制框圖

3 實驗

為驗證所提出的無線充電電動汽車V2G模式下光儲直流微電網(wǎng)能量管理策略的正確性，搭建直流微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)如圖13所示，針對系統(tǒng)在各運行模式的穩(wěn)態(tài)及動態(tài)切換進行實驗驗證。

圖13 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)主要由三部分組成：工作于V2G模式的EV-WPT系統(tǒng)、PV系統(tǒng)、網(wǎng)側(cè)儲能系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)由相應(yīng)的變換器進行電能變換以及目標控制。光伏電池由PVS1001-300V10A光伏模擬電源模擬，車載電池以及網(wǎng)側(cè)儲能單元均由直流電壓源模擬，直流微電網(wǎng)負載由電子負載模擬?？刂破骰赟TM32F103ZET6搭建。實驗系統(tǒng)中EV-WPT系統(tǒng)和光伏模擬器的主要參數(shù)見表1和表2。

表1 EV-WPT系統(tǒng)參數(shù)

Tab.1 Parameters of EV-WPT system

表2 光伏模擬器參數(shù)

直流微電網(wǎng)的工作模式取決于電網(wǎng)負載，實驗設(shè)置微電網(wǎng)負載為40Ω、20Ω和10Ω三個檔位，用于模擬不同負荷功率，從而模擬本文預(yù)設(shè)的三種工況。各模式穩(wěn)態(tài)實驗結(jié)果如圖14所示。圖14左圖為三種模式穩(wěn)態(tài)下的功率分析儀截圖。右圖中從上至下四條波形分別對應(yīng)通道1～4。其中，通道1為PV系統(tǒng)輸出，通道2為EV-WPT系統(tǒng)輸出，通道3為網(wǎng)側(cè)儲能輸出，通道4為負荷輸入。圖14右圖為三種模式下變換器驅(qū)動控制信號，其中s為車載端H橋變流器輸出電壓，GS-WPT、GS-PV和GS-bat分別為EV-WPT系統(tǒng)、PV系統(tǒng)、網(wǎng)側(cè)儲能對應(yīng)DC-DC變換器的Q1開關(guān)管驅(qū)動電壓波形。

圖14 各模式穩(wěn)態(tài)實驗結(jié)果

由圖14可看出，在模式Ⅰ（輕載）中，僅PV出功。在圖14a右圖中，通道1、2、4為閉鎖狀態(tài)，僅通道3的PV端DC-DC在進行MPPT控制。對應(yīng)左圖為EV-WPT側(cè)、地面儲能側(cè)輸出量為0W，僅PV側(cè)有輸出功率。

在模式Ⅱ（半載）中，PV系統(tǒng)與工作于V2G模式下的EV-WPT系統(tǒng)協(xié)同出功，對應(yīng)左圖中PV+WPT=L。在圖14b右圖中，通道3的PV端DC-DC在進行MPPT控制；EV-WPT系統(tǒng)則將剩余功率缺額補足并保持母線電壓穩(wěn)定，因此右圖中s處于移相狀態(tài)，對應(yīng)左圖中EV-WPT系統(tǒng)輸出功率WPT介于模式Ⅰ的零出功與模式III中的滿功率之間。

在模式Ⅲ（重載）中，PV系統(tǒng)、工作于V2G模式下的EV-WPT系統(tǒng)以及網(wǎng)側(cè)儲能協(xié)同出功，對應(yīng)左圖中PV+WPT+bat=L。在圖14c右圖中，通道3的PV端DC-DC在進行MPPT控制；EV-WPT系統(tǒng)工作于滿功率輸出狀態(tài)，因此右圖中s的移相角為0，對應(yīng)左圖中WPT大于模式Ⅰ和Ⅱ中的WPT；網(wǎng)側(cè)儲能則將剩余功率缺額補足并保持母線電壓穩(wěn)定，因此由通道4可看出此時地面儲能已啟動。

圖15為直流微電網(wǎng)在三種運行模式間切換時的動態(tài)波形。bus為母線電壓，L、bWPT和bat分別為電網(wǎng)負載電流、模擬車載電池輸出電流、模擬網(wǎng)側(cè)儲能輸出電流。

圖15 各模式動態(tài)切換實驗結(jié)果

圖15a和圖15b為系統(tǒng)在模式Ⅰ、Ⅱ間的切換波形。由圖可知，當負荷加重時，控制器檢測到vac＞0，使能EV-WPT系統(tǒng)車載端H橋變流器、DC-DC變換器，經(jīng)過1.3s的軟啟動以及控制過程，母線電壓恢復(fù)額定值36V；當負荷變輕時，控制器檢測到vac≤0，瞬時閉鎖EV-WPT系統(tǒng)各單元，EV-WPT系統(tǒng)退出運行，母線電壓恢復(fù)額定值。

圖15c和圖15d為模式Ⅱ、Ⅲ間的切換波形。由圖可知當負載繼續(xù)加重時，模式Ⅱ的PV與EV-WPT系統(tǒng)協(xié)同已難以維持母線電壓穩(wěn)定，車載端H橋變流器移相值已達到極限，此時控制器使能網(wǎng)側(cè)儲能DC-DC變換器，系統(tǒng)進入模式Ⅲ。網(wǎng)側(cè)儲能介入填補功率缺額，母線電壓迅速恢復(fù)，同時EV-WPT繼續(xù)執(zhí)行MPET控制；當負荷減輕時，控制器檢測到vac≤*，此時判定PV與EV-WPT系統(tǒng)協(xié)同可以維持負荷功率需求，閉鎖網(wǎng)側(cè)儲能DC-DC變換器，母線電壓由EV-WPT車載端H橋變流器調(diào)節(jié)。經(jīng)過PI控制母線電壓在1s后恢復(fù)額定值。由于從模式Ⅰ、Ⅲ切換到模式Ⅱ需要EV-WPT系統(tǒng)軟啟動或者控制介入，因此這兩種切換需要花費更多的時間重新進入穩(wěn)態(tài)。

考慮極端工況，模式Ⅰ、Ⅲ間的切換如圖15e、圖15f所示。當負荷從重載突降為輕載，控制器檢測到vac≤0，同時閉鎖EV-WPT及儲能系統(tǒng)，由光伏系統(tǒng)將母線電壓恢復(fù)到額定值。當負荷由輕載突增為重載，控制器檢測到vac＞*，此時可判定功率缺額嚴重，EV-WPT系統(tǒng)最優(yōu)效率下滿功率出功，母線電壓由儲能電池控制恢復(fù)至額定值。

為驗證EV-WPT系統(tǒng)MPET控制算法的有效性，圖16給出一簇EV-WPT系統(tǒng)效率關(guān)于DC-DC變換器占空比的關(guān)系曲線。由圖可知，在占空比可調(diào)范圍內(nèi)，存在最大效率點。在不同負載情況下，實測的EV-WPT系統(tǒng)效率點基本位于理論效率曲線的最優(yōu)點，且效率始終大于87%。

圖16 電動汽車無線供電系統(tǒng)最大效率追蹤曲線

為驗證PV系統(tǒng)MPPT控制算法的有效性，圖17給出一簇PV系統(tǒng)輸出功率關(guān)于DC-DC變換器占空比的實驗數(shù)據(jù)。結(jié)合圖14所示PV系統(tǒng)DC-DC不同模式的占空比可知，控制器計算占空比與實測MPP處的占空比一致，經(jīng)控制可使PV實現(xiàn)最大功率輸出。

實驗結(jié)果驗證了本文所構(gòu)建的EV-WPT系統(tǒng)V2G模式下光儲直流微電網(wǎng)及其能量管理策略可有效工作。在確保PV最大功率運行以及EV-WPT系統(tǒng)最優(yōu)效率饋能的同時，實現(xiàn)不同電網(wǎng)負荷的供電以及母線電壓的穩(wěn)定。相較于現(xiàn)有文獻提出的系統(tǒng)構(gòu)架與能量管理方法，本文重點將EV-WPT與光儲發(fā)電系統(tǒng)進行綜合分析，并探究了EV-WPT系統(tǒng)在V2G模式下的光儲直流微電網(wǎng)能量管理策略。

圖17 光伏系統(tǒng)最大功率點追蹤曲線

4 結(jié)論

本文基于直流微電網(wǎng)源-荷關(guān)系，提出無線充電電動汽車V2G模式下光儲直流微電網(wǎng)能量管理策略?；赑V系統(tǒng)、EV-WPT系統(tǒng)及網(wǎng)側(cè)儲能數(shù)學(xué)模型，分析微電網(wǎng)運行狀態(tài)，定義了微電網(wǎng)穩(wěn)定運行的三種模式以及對應(yīng)的底層控制策略。通過分析變換器占空比與PV出功及負荷功率的關(guān)系，給出了EV-WPT系統(tǒng)DC-DC變換器占空比的臨界條件表達式，并依此提出了微電網(wǎng)三種模式間相互切換的能量管理策略。最后搭建實驗系統(tǒng)，驗證了底層控制與上層運行模式切換共同作用下，母線電壓可在電網(wǎng)負載發(fā)生跳變時迅速恢復(fù)并穩(wěn)定至額定電壓，且PV與EV-WPT系統(tǒng)分別工作于MPPT和MPET模式。

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Research on Power Management Strategy of DC Microgrid with Photovoltaic, Energy Storage and EV-Wireless Power Transfer in V2G Mode

Zhou Wei1,2Lan Jiahao2Mai Ruikun1,2He Zhengyou1,2

（1. Key Laboratory of Suspension Technology and Maglev Vehicle Ministry of Education Southwest Jiaotong University Chengdu 611756 China 2. School of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University Chengdu 611756 China）

With the rapid increase of electric vehicles (EVs), it is essential to build a low-carbon, flexible and stable charging method for EVs. This paper integrated DC microgrid, wireless power transfer (WPT), vehicle-to-grid (V2G) technologies, and focused on the power management strategy of DC microgrid with photovoltaic, energy storage and WPT system in V2G mode. The mathematical models for photovoltaic, WPT, and energy storage were established, respectively. Considering the photovoltaic power output and the load power level, the critical conditions for the WPT system under maximum power efficiency status were derived, and the output function of the energy storage beyond the critical conditions was given. Based on this, the three operating modes and boundary conditions of the DC microgrid were defined, the upper-level controller was designed to switch between the three modes. An experimental system was constructed to verify that the proposed hierarchical control algorithm can effectively maintain the stability of the bus voltage. The maximum power of the photovoltaic system and the optimal efficiency operation of the WPT system were also guaranteed.

DC microgrid, photovoltaic, wireless power transfer, vehicle to grid, electric vehicle

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211279

TM724

四川省科技計劃（2021YFH0039）和國家自然科學(xué)基金（51907170）資助項目。

2021-08-16

2021-10-26

周 瑋 男，1990年生，講師，碩士生導(dǎo)師，研究方向為無線電能傳輸、電能變換器。E-mail：wzhou@swjtu.edu.cn （通信作者）

藍嘉豪 男，1998年生，碩士研究生，研究方向為無線電能傳輸、直流微電網(wǎng)。E-mail：lanjiahao@my.swjtu.edu.cn

（編輯 郭麗軍）