使用建模和仿真开发车辆到电网 (V2G) 系统

简介

电动汽车 (EV) 的主要环境效益是减少尾气排放，这有助于降低交通运输中的总体温室气体排放。一个新兴的次要效益是使用电动汽车电池作为储能资产，改进建筑能源管理和电网需求响应，两者分别称为车辆到建筑 (V2B) 和车辆到电网（V1G 和 V2G）。

使用电动汽车电池实现 V2B 和 V2G 的具体好处在于，它可减少对系统供电的排放量更大的发电厂的需求，并提供更灵活和高效的运行。在 V2B 方面，可以通过增加对如光伏系统等本地分布式能源资源 (DER) 产生的能源的消耗来减少对电网电力的依赖。此外，还可以脱离主电网连接自主运行，即所谓的孤岛运行，从而提高在电网停电时的供电安全性。

在本白皮书中，您将了解优化电动汽车充电以提高电网效率的好处和重要性。报告将讲解智能充电方法如何有益于整体电力系统响应，回顾优化最佳实践，讨论建模和仿真如何改进充电基础架构的开发等。

双向充电

为了使电动汽车电池在更大的系统中充当可调度资产，它们必须通过双向充电器连接，双向充电器支持电池通过建筑电力系统或电网来充电和放电。这些双向充电器是通过数字控制器运行的电力转换器。这些控制器的设计可以使用建模和仿真。这种方法不仅可以验证电力转换器控制器的详细工作情况，还可以验证整个系统在运行约束（如电压和当前限制）和故障条件（如电力电子开关故障）下的响应。

双向充电通过包含可控电力电子开关（如 IGBT 或 MOSFET）的双向电力转换器实现。数字控制用于生成脉冲宽度调制 (PWM) 的占空比，该占空比决定电力电子开关打开和关闭。虽然用于电动汽车充电的电力转换器拓扑各有不同，但常见的选择是双有源桥 (DAB)，因为它具有操作灵活、效率高的优点。图 1 显示使用 Simscape Electrical™ 建模的 DAB 的拓扑。

DAB 由通过隔离变压器连接的两个 H 桥组成。每个 H 桥单独受控以实现所需的整体运行曲线。

下面的图 2 显示由 Simscape Electrical 仿真驱动的 MATLAB^® 图。图中显示了一个采用移相控制运行的 DAB，其中原边和副边 H 桥电压的相位相互之间发生偏移，以实现给定的功率流的大小和方向。可视化图显示功率从原侧流向边侧，因为原边交流电压 (VACp) 超前于副边交流电压 (VAC)。对于功率流反转的情况，则 VACp 滞后于 VAC。仿真不仅用于设计控制系统，还用于选择具有适当标称值的电子元件以满足工作需求。

智能充电

当多辆电动汽车连接到 V2B 或 V1G/V2G 系统时，就有机会应用智能充电。V1G 指单向充电，V2G 指双向充电。智能充电使用优化方法调整各个电池的充电曲线以实现一些系统级别的好处。

例如，以下可视化图（图 3）显示一个 V2G 系统，其中四辆电动汽车连接到同一电网。您可以假设四辆电动汽车在不同时间与电网连接和断开连接，并且在连接时间结束时，每辆电动汽车都充满了电。您还可以假设会提前知道连接和断开连接的时间 - 当然这纯粹是为了说明而做的简化假设。如果您以某恒定速率（非智能）为电动汽车充电，您应该会看到红色充电模式，每辆电动汽车在充电周期结束时都充满电。但请注意，电网功率在这种情况下显示出相当大的峰值。如果您应用优化方法并施加约束以最小化电网峰值功率，同时仍确保每辆电动汽车在其连接期结束时都充满电，则可能会看到绿色充电模式。请注意，在连接期间，电池可以在不同时间充电和放电以转移能量，从而减小电网峰值功率。智能充电的一个潜在缺点是，电动汽车电池的循环次数可能大于恒定充电情形 - 这会减少剩余使用寿命。我们可以增强优化框架以考虑其他技术约束，例如最小化每个电池的循环次数。

充电桩技术经济优化

技术经济分析 (TEA) 是整体系统选型和运行的重要部分，通常使用应用于简单能量平衡模型的优化方法进行。TEA 旨在根据某些标准确定优化运行，例如最小化单个电动汽车电池的充电次数和/或提供足够的储能以满足电网需求响应，并确保不违反工作限制。TEA 完成后，就可以进行更详细的建模，这种建模能够捕捉能源管理系统开发中更深层次的技术细节，并且可以参考 TEA 的结果，以验证详细设计是否符合预期的运行要求。

下面的图 4 中显示一个微网系统结构，其中包括可再生能源和电网级储能，以及为一个电动汽车充电桩和一些工业负载供电的公用事业电网连接。考虑的场景是电动汽车充电桩只能使用可再生能源，而工业负载可以使用可再生能源和公用事业电网。在这种情况下，一个技术约束是电网级储能只能在可再生能源可用时充电，而电动汽车充电桩只能从可再生能源和电网级存储中获取能量。

除了与能量流相关联的技术约束外，技术经济优化还旨在确定系统组件的规模，以最小化系统预期生命周期内的资本成本和运营成本。技术经济分析和优化通常考虑以一小时为时间间隔的一年期：即所谓的 8760 仿真（一个标准年有 8760 个小时）。以下可视化图（图 5）显示技术经济优化的输出、每个组件在每小时的功率，从而确保供需之间的能量平衡。

电网集成研究

虽然之前的分析中使用的简化能量平衡方程对于应用优化方法很有价值，但他们提供的工程深度见解有限。评估电动汽车充电对电网响应的影响需要进行更详细的电力系统仿真研究。电力系统仿真大致分为两种类型：相量和电磁暂变 (EMT)。图 6 显示 EMT 和相量仿真的主要区别。EMT 对详细波形进行仿真，而相量通过使用 RMS 值简化仿真，这意味着仿真步时间可能增大。请注意，相量仿真不捕获波形暂变，而是捕获稳态工况。

相量仿真更适合电动汽车充电的长期电网影响研究，因为它们能够在更大的时间步和更长的时间段内进行准静态仿真。准静态仿真不需要对详细的动态响应进行仿真。相反，它重点关注通过大量工作点的移动，其中时间步可以从几分钟到一小时不等，研究的时间段可以从几小时到一年或更长。

图 7 显示代表性配电系统模型的节点电压。电压为准静态相量仿真的 24 小时结果，以 10 分钟为时间步显示。左侧显示每个时间段的电压幅值，右侧显示完整 24 小时内电压幅值的直方图。统计分析是时域分析的补充。统计分析很有价值，它可用于获得在多种场景下的运行模式的额外深度见解。

电网影响研究通常需要考虑许多工作场景，可能多达数千个。为了高效仿真大量工作场景，可以使用并行计算将这些场景分布在多个核上。在以下示例中，使用四个核来分布多个场景，从而实现 3.5 倍的加速。可用的核越多，加速越明显。

当需要使用特定技术工作的更详细信息时，例如在评估电力电子开关谐波对电力系统的影响时，EMT 研究是必要的。电动汽车充电桩通常通过基于逆变器的资源 (IBR) 连接到电网，这些资源是通过数字控制运行的电力转换器。IBR 的仿真需要微秒或纳秒级的微小时间步以捕获电力电子开关的效果，还需要对详细的电力转换器拓扑和控制系统进行建模。以下动态可视化显示使用脉冲宽度调制 (PWM) 控制的三相逆变器的响应。请注意由电力电子开关引起的高频谐波。

结束语

建模和仿真与其他计算工具（如优化）结合使用，可以在技术开发的早期阶段为系统设计人员提供信息。这应该有助于减少设计错误并增强信心，确保开发的系统在其预期工作范围内以弹性和高效的方式运行。