蓝嘉豪，漆倬宇，张强，刘贤，薛永龙，周玮
（西南交通大学电气工程学院，成都 611756）
在“碳达峰、碳中和”背景下，我国电动汽车EV（electric vehicle）取代传统燃油车的绿色转型进程正不断加速。然而，当前EV 充电设施主要存在以下不足：①现有充电桩大多为有线充电桩，频繁插拔易造成插座磨损，线路破损会带来漏电等安全隐患[1]；
②我国电力行业目前仍以火力发电为主[2]，随着EV 渗透率的提高，由此导致的火力发电碳排放量将进一步增加；
③EV 充电的短时性和无序性在电网侧等效为随机负荷，给电力系统的稳定运行带来巨大挑战。
为杜绝有线充电方式的安全隐患，无线电能传输WPT（wireless power transfer）技术被引入EV 充电中[3-5]。众多学者通过改进耦合机构[6]、优化控制算法[7]、重构补偿网络[8-9]等方式提高WPT 系统的性能。随着基础理论的完善，WPT 技术在传输功率和传输效率上已经达到EV 充电要求，未来将成为EV 充电设施的发展方向。
此外，为降低EV 充电桩对电网的影响，采用新能源微电网供电的离网型充电桩应运而生，针对优化调度[10]、能量管理[11-12]、稳定性分析[13]等方面的研究已取得诸多成果。而结合WPT 技术与微电网技术的新型充电设施也成为研究热点。早期研究重点侧重于针对包含WPT 系统的直流微电网各单元的设计[14]。为进一步实现EV-WPT 与微电网的深度融合，后续重点研究了EV-WPT 在V2G 模式下的微电网运行控制，分别采用最优效率跟踪控制以及功率控制的方法改进EV-WPT 系统并网性能[15-16]。为提高包含EV-WPT的微电网系统的整体性能，一种基于WPT的车网功率接口被提出，通过母线电压控制器的设计，提高了微电网系统整体效率[17]；
类似地，另一种基于直接功率控制法的并网接口控制器被提出，解决了动态WPT的冲击特性对交流电网的影响[18]。
总之，现有研究大多针对设备层面控制方法上的改进，但是EV-WPT 系统的接入所带来微网系统工作模式的改变以及模式间的切换问题也亟待研究。对此，本文基于孤岛运行的光储直流微电网，研究EV-WPT 不同充电阶段下微电网的潮流流向，基于此划分系统运行模式并设计顶层能量管理单元，实现各模式下EV-WPT 与本地负荷的稳定供电。最后搭建实验平台，验证所提能量管理策略的有效性。
1.1 系统概述
本文所研究的直流微电网系统结构如图1 所示。系统由光伏PV（photovoltaic）系统、储能系统、EVWPT 系统以及本地负荷组成。PV 系统作为主要电源采用最大功率点跟踪MPPT（maximum power point tracking）控制，储能系统通过充放电控制改变自身源荷特性平抑系统功率波动，维持母线电压恒定。EV-WPT 系统由地面端与车载端两部分组成，完成直流微电网到车载电池端的电能转换，其中地面端设备包括DC-DC变换器、逆变器、补偿网络以及发射线圈，车载端设备包括接收线圈、补偿网络以及整流器。直流母线上挂有照明、融冰装置等本地负荷，本文采用阻性负载模拟。此外，定义PPV为PV 系统输出功率、PES为储能系统与微电网的交换功率（PES>0为储能放电，PES<0为储能充电）、PWPT为EV-WPT 输入功率、PLoad为本地负荷输入功率，为确保EV-WPT 不同充电阶段下的可靠供电，本文设置微电网能量管理单元，通过模式间的切换实现系统能量供需平衡。
图1 直流微电网系统结构Fig.1 Structure of DC microgrid system
1.2 各模块数学模型
1.2.1 PV 系统
PV 电池的I-U 特性曲线具有非线性，因此其P-U 曲线呈现非单调性。理想的P-U 曲线存在唯一最大功率PPVm，对应的电压为Um，最大功率点会因太阳辐照强度和环境温度的变化而发生移动。为使PV 电池始终工作在最大功率点附近，需要实时调整PV 电池输出电压，使得光伏输出功率达到最大值。由于光电池输出电压接近母线电压，本文使用Buck-Boost变换器实现MPPT，PV 系统结构如图2所示。
图2 PV 系统结构Fig.2 Structure of PV system
控制开关管Q1、Q4以一定占空比α 导通，开关管Q2、Q3则与之互补，母线电压恒定下，改变α 即可改变PV 输出电压，变换器输入输出电压增益GPV可以表示为
1.2.2 EV-WPT 系统
EV-WPT 系统结构如图3 所示。其中，VWPT、IWPT分别为EV-WPT 系统输入电压、电流，Vin为逆变器输入侧电压，VbWPT、IbWPT为系统输出电压、电流。
图3 EV-WPT 系统结构Fig.3 Structure of EV-WPT system
为实现能量的双向流动，以及宽范围的输出量调节，地面端接有四管Buck-Boost变换器。控制占空比β 可调节逆变器输入侧电压Vin，即有
Buck-Boost 级联WPT 模块。逆变器将直流侧电压转换为高频交流电压，经补偿网络使得发射线圈产生正弦激励电流，通过电磁感应使得接收线圈产生感应电压，副边整流器再将高频交流量转换为直流量，完成能量传输。WPT 系统补偿网络采用SS 拓扑，系统可简化为图4 所示电路分析。
图4 WPT 系统等效电路Fig.4 Equivalent circuit of WPT system
图中：Cp、Cs为原副边补偿电容，Lp、Ls为原副边线圈等效电感，M为线圈互感，Rp、Rs为原、副边线圈内阻，Ip、Is为原、副边电流，补偿电容、电感以及系统工作角频率ω 满足谐振关系
逆变器输出电压基波有效值Vi可表示为
EV-WPT 输出侧车载电池等效电阻RbWPT等效至副边交流侧的等效电阻Req可表示为
由基尔霍夫电压定律，列写回路电压方程，有
解得副边电流关于输入电压之比为
其中
由式（3）的谐振关系，式（7）的幅频响应如图5 所示。
图5 交流侧幅频响应Fig.5 AC-side amplitude-frequency response
由图5 可知，补偿网络仅对系统工作频率处的输入量有放大作用，而对高次谐波有抑制作用，故谐波量不会对输出产生较大影响。
进一步忽略线圈内阻，解得|Is|为
由式（9）可知，EV-WPT 输出电流与车载电池等效电阻无关，系统呈现恒电流输出特性。通过调整变换器占空比β 可控制输出电流，实现车载电池的恒流充电。
1.2.3 储能系统
储能系统由双向DC-DC变换器实现储能的充放电控制以及母线电压控制，其结构如图6 所示。图中，Vbat、Ibat为电池侧电压电流，VBat、IBat为储能系统母线侧电压电流，Q5、Q6为DC-DC的上下两桥臂开关管。
图6 储能系统结构Fig.6 Structure of energy storage system
断开Q6，控制Q5的占空比γd，电路工作在放电模式，储能向母线馈电，电压增益GESd可表示为
断开Q5，控制Q6占空比γc，电路工作在充电模式，母线向储能充电。电压增益GESc可表示为
通过储能系统充放电模式的切换，以及各模式对应的占空比，可调节储能系统母线侧的输出电流IBat，进而平抑系统功率波动，维持母线电压恒定。
基于微电网各组成部分的建模分析，本节重点研究系统控制方法以及控制参数的设计依据，其中底层的控制方法为顶层的能量管理策略提供基础。
2.1 系统控制方法
微电网设备级控制方法如图7 所示。对于PV系统，本文采用扰动观察法P&O（perturb and observe）[19]实现PV 系统的MPPT，考虑微电网系统轻载且储能电量饱和情况，另设恒压控制模式，PV 脱离最大功率点运行转而控制母线电压恒定。对于储能系统，PV 处在MPPT 控制模式时进行充放电控制，平抑系统功率波动。为避免储能的过度充电、过度放电，当储能电量接近饱和或接近枯竭时，需闭锁储能系统。对于极端工况，系统电源设备无法维持本地负荷与EV-WPT的充电功率需求，此时需进行甩负荷操作，维持重要负荷的稳定供电，此工况不在本文讨论范畴。
图7 微电网控制框图Fig.7 Control block diagram of microgrid
2.2 系统能量管理策略
常规充电时车载电池充电功率不断上升，而当电动汽车由快充转为慢充模式时充电功率下降。充电阶段的改变或充电模式的转换将使微电网系统源-荷功率失去平衡。为确保微电网系统的可靠供电，本文设计能量管理单元，控制流程如图8 所示。
图8 能量管理单元控制流程Fig.8 Flow chart of control of energy management unit
能量管理算法基于实时电气量采集并计算系统功率缺额Pvac，定义为
式中，PPVm、PLoad和PWPT分别为PV 最大功率点功率、本地负荷和EV-WPT 充电功率。根据Pvac并结合储能的荷电状态SOC（state-of-charge）信息进行投切以及模式转换操作。当Pvac≥0时，此时PPVm满足PLoad以及PWPT需求，若此时储能系统SOC≥90%，为避免储能过度充电，切除储能系统，PV 脱离MPPT模式采取恒压控制方式维持母线电压恒定。若储能系统SOC<90%，则储能进行充电控制，吸收系统多余电量。当Pvac<0时，此时PV 最大功率出功已无法满足负荷需求，在储能系统仍有余电情况下，储能进行放电控制，填补功率缺额。基于此，定义系统运行的3 种模式如下。
模式I：仅PV 系统出功，功率平衡方程满足PPV=PLoad+PWPT。PV 输出功率大于EV-WPT 和负载消耗功率，此时储能大于预设最大电量，储能采用停机控制，PV 采取恒压控制。
模式II：仅PV 系统出功，功率平衡方程满足PPVm-PES=PLoad+PWPT。PV 采取MPPT 控制，PV 最大输出功率大于EV-WPT、负载消耗功率，储能电量小于预设最大电量，储能采用充电控制，吸收系统多余能量。
模式III：PV 和储能同时出功，功率平衡方程满足PPVm+PES=PLoad+PWPT。PV 采取MPPT 控制，PV 最大输出功率小于EV-WPT 和负载消耗功率。储能系统仍有剩余电量充足，采取放电控制，填补系统功率缺额。
为验证包含EV-WPT的光储直流微电网系统控制方法以及能量管理策略的正确性与有效性，本文搭建直流微电网实验平台，如图9 所示。对系统在不同工况下的稳态运行及动态模式切换进行实验验证。
图9 实验样机Fig.9 Experimental prototype
所搭建微电网为单直流母线系统，母线上接有PV 系统、储能系统、EV-WPT 系统以及阻性负载，各子系统由相应的变换器进行电能变换以及目标控制。控制器基于STM32F103ZET6 搭建。另设中央控制器执行能量管理策略，控制投切继电器以及使能各控制器的运行模式。PV 电池由PVS1001-300 V 10 A 光伏模拟电源模拟，EV-WPT 系统车载电池由电子负载模拟。储能系统由直流电压源以及阻性负载的切换模拟放电模式以及充电模式。本地负荷由阻性负载模拟。实验系统中微电网系统以及光伏模拟器的主要参数见表1 和表2。
表1 微电网系统参数Tab.1 Parameters of microgrid system
表2 光伏模拟器参数Tab.2 Parameters of photovoltaic simulator
直流微电网的工作模式取决于电网负载，在本实验中电网的主要负载为EV-WPT。实验设置EVWPT 车载电池等效电阻RbWPT为10 Ω 和20 Ω 两个档位，用于模拟2 种充电功率，从而模拟本文预设的3 种工况。各模式稳态实验结果如表3 和图10 所示。表3 给出3 种模式稳态下的功率分析仪实验结果，其中，通道1为PV 系统输出，通道2为EV-WPT 系统输入，通道3为储能系统输出，通道4为本地负荷输入。图10为3 种模式下变换器驱动控制信号，其中ui为EV-WPT 系统逆变器输出电压，ugs-WPT、ugs-PV和ugs-Bat分别为EV-WPT系统、P 系统、储能系统对应DC-DC变换器的开关管驱动电压波形。
表3 稳态下的功率分析实验结果Tab.3 Experimental results of power analysis under steady-state
图10 稳态实验结果Fig.10 Steady-state experimental results
由图10 可看出，在模式Ⅰ中，车载电池充电初期，ugs-WPT控制EV-WPT 恒流充电。系统负荷功率需求小，此时预设储能系统的SOC 接近饱和，储能系统闭锁，故表3 功率分析仪通道3 输出功率为0，对应图10（a）ugs-Bat闭锁。由于系统负荷无法消纳PV 最大功率所输出的能量，PV 系统进行恒压控制，脱离最大功率运行点，对应图10（a）ugs-PV占空比略微下降，从MPPT 模式进入恒压控制模式。表3 满足功率平衡PPV=PLoad+PWPT。
在模式Ⅱ中，车载电池充电初期，ugs-WPT控制EV-WPT 恒流充电。此时预设储能系统的SOC<90%，储能系统充电消纳PV 最大功率输出所多余的能量，对应图10（b）ugs-PV为MPPT 模式下占空比，ugs-Bat驱动开关管Q6，储能系统工作在充电模式。表3 满足功率平衡PPVm-PES=PLoad+PWPT。
在模式Ⅲ中，车载电池充电末期，ugs-WPT控制EV-WPT 恒流充电，充电功率加大。PV 系统最大功率输出，对应图10（b）ugs-PV为MPPT 模式下的占空比。此时预设储能系统的SOC>10%，储能系统放电填补系统功率缺额，对应图10（c）ugs-Bat驱动开关管Q5，储能系统工作在放电模式。表3 满足功率平衡PPVm+PES=PLoad+PWPT。由于电池SOC 不可能突变，故3种模式间存在4 种具有实际意义的转换，模式转换实验波形如图11 所示。
图11 模式切换实验结果Fig.11 Dynamic experimental results
考虑储能系统的SOC 介于10%～90%之间，充电状态改变引起的系统负荷功率变动，系统在模式Ⅱ与模式Ⅲ间的切换，如图11（a）与图11（b）所示。由图11（a）可知，当恒流充电的EV-WPT 充电电压加大时，系统负荷需求加大，PV 系统最大输出功率已无法满足系统负荷需求，功率缺额由Pvac＞0变为Pvac<0。此时储能系统由充电模式转为放电模式，系统由模式Ⅱ转变为模式Ⅲ。而当充电功率减小时，功率缺额由Pvac<0变为Pvac＞0，此时储能系统由充电模式转为放电模式消纳PV 系统输出的多余能量，系统由模式Ⅲ转变为模式Ⅱ，该过程如图11（b）所示。
考虑充电负荷较轻时，PV 系统MPPT 运行将产生功率盈余，需要储能系统介入消纳多余能量。而此时储能电量逐渐饱和，必须闭锁储能系统避免过度充电，故PV 系统转为恒压输出，维持母线电压恒定。该过程即为模式Ⅱ到模式Ⅰ的切换过程，如图11（c）所示。
考虑充电负荷加大，PV 系统最大输出功率已无法满足系统负荷需求，功率缺额由Pvac＞0变为Pvac<0。储能系统由满电量时的闭锁模式进入放电模式，该过程即为模式Ⅰ到模式Ⅲ的切换，如图11（d）所示。
为验证PV 系统MPPT 控制算法的有效性，图12 给出一簇PV 系统输出功率关于DC-DC变换器占空比的实验数据。结合图10 所示PV 系统DCDC 不同模式的占空比可知，控制器计算占空比与实测最大功率点处的占空比一致，经控制可使PV实现最大功率输出。
图12 不同负荷下PV 系统PPV-α 曲线Fig.12 PPV-α curves of PV system under different loads
本文针对EV-WPT的充电需求，考虑储能系统的SOC 信息提出包含EV-WPT 系统的光储直流微电网能量管理策略。通过对微电网各子系统进行建模，得到各部分输入输出关系，基于此给出系统各变换器的控制方法。根据系统源荷间的功率不平衡状况，定义微电网运行的3 种模式，并依此提出基于功率缺额判据的能量管理策略。最后搭建微电网实验平台，设置2 种档位电阻模拟车载电池充电功率需求。实验结果表明，所设计的能量管理单元可实现不同充电功率下系统运行模式的投切，母线电压在模式发生切换时可迅速恢复至额定值。
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