设计V2G系统， 将电动汽车转变为电网增强型发电站

全球范围内电动汽车销量和可再生能源产量正在上升。截至2023年底，仅美国道路上的轻型电动汽车（EV）累计保有量就已超过430万辆，这一增长促使美国能源部预测，到2050年，电动汽车充电所引发的电力需求可能会使美国总电力消耗量增加20%到 50%。如果当前的全球趋势继续下去，工程师面临的主要挑战将是管理由供需变化和电动汽车以不同的间隔连接电网而导致的电网超载所造成的复杂能源流。一种解决方案是使用电动汽车电池作为储能资产来改善电网响应，即车辆到电网（V2G）。V2G支持分布式能源资源的安全运行，并有助于管理复杂的能源流、提高效率并最大限度地减少能源损失。

管理这些动态电力系统是一项复杂的工作，需要两项关键能力：1）实现电动汽车和电网之间的双向电力流动；2）预测电动汽车预计连接到电网的总体电力负荷和时间范围。为此，工程师必须依靠双向电源转换器和基于模拟的技术开发。

开发双向电源转换器

使用电动汽车电池作为存储单元需要一个允许电流流动的双向电源转换器和一个管理设备切换以调节电压和电流的数字控制系统。这些组件使转换器能够实现电池和电力系统之间所需的功率流动。

在双向电源转换器开发中，设计工程师使用台式计算机上的行为模型来模拟电池、电源转换器及其控制算法和电网连接。仿真模型的价值在于它能够准确地表示技术在开发中的行为并解决开发过程每个阶段的工程挑战。例如，转换器平均值模型可以在反馈控制设计中实现。这些模型准确捕捉控制系统带宽内的电压和电流响应，同时忽略电力电子开关的影响。这简化了模型，因为它不需要在更高的频率下进行模拟，从而使工程师能够快速执行控制设计迭代。桌面模拟还可用于评估并网充电站的响应、评估是否符合电网规范以及开发可提高系统正常运行时间的预测性维护算法。

双向电源转换器的控制设计包括调整控制参数以实现稳定、快速的响应并提供对四象限控制的支持，使系统能够控制电流流动的方向和电压极性。一旦设计了反馈控制，工程师就可以在包含电力电子开关的更详细的模型上对其进行评估。作为反馈控制系统验证的一部分，该评估研判了高频谐波的影响。

桌面模拟还可用于评估在物理硬件上难以测试或危险的条件下的系统响应。例如，故障模拟允许工程师在安全、可重复的环境中开发和彻底测试故障监控和隔离算法。在桌面环境中验证和确认设计后，控制和监控算法可以自动转换为生产质量的C或HDL代码。然后可以在实时环境中测试该代码，以在做出最终硬件选择之前进一步降低风险。

将双向电源转换器集成到电力系统中只是挑战的一部分。为了确保大规模部署电动汽车和双向电源转换器不会损害电网的稳定性或可靠性，工程师必须确定这些系统在各种运行条件下如何与电网互动。工程师采用一种重要工具来评估组件和电网级性能：系统级模拟研究。

图1.双向充电器将电动汽车转变为移动能源资产，实现V2G

开展模拟研究评估电动汽车充电对电网的影响

评估电动汽车充电对电网响应的影响需要详细的电力系统仿真研究，工程师使用基于模型的设计来执行这些研究。电力系统仿真大致分为两种类型：相量和电磁暂变（EMT）。相量模拟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步骤和更长的时间段内进行准静态模拟。准静态模拟不需要详细的模拟动态响应。相反，它专注于在许多操作点之间移动，其中时间步长可以从几分钟到一个小时，研究的时间段可以从几个小时到一年或更长时间。

图2.车辆到电网系统用于支持微电网的高效运行和稳定性

长期准静态模拟提供了整个系统生命周期内预期电力需求的信息。它们用于组件尺寸确定、技术组合评估和系统升级规划。当需要有关特定技术运行的更详细信息时，EMT研究是必要的，例如评估电力电子开关谐波对电力系统的影响。

电动汽车充电站通常通过基于逆变器的资源（IBR）连接到电网，IBR 是通过数字控制操作的电源转换器。IBR 模拟需要很小的时间步骤（大约微秒或纳秒）来捕捉电力电子开关的影响，以及电力转换器拓扑和控制系统的详细建模。

电网影响研究要求工程师考虑涉及在多个电网位置连接电动汽车的数千种运行场景。为了大规模高效地模拟作战场景，并行计算可以将场景分布在多个核心上。

开发支持V2G的无线充电系统

Lumen Freedom使用基于模型的设计来开发具有内置灵活性的无线充电系统，以满足未来的需求。为通信系统、电力电子和状态机创建模型使工程师能够模拟系统的运行。工程师使用MATLAB®和Simulink®设计核心软件模型、整个系统的主要逻辑以及管理车辆和充电板之间通信的通信控制器。Lumen Freedom总经理Rod Wilson表示：“当需求出现时，我们的系统将为向车辆到家庭和车辆到电网场景的过渡做好准备。”

V2G作为电网现代化的催化剂

V2G技术可以通过实现双向电动汽车电池充电来提高电网稳定性和效率。这种方法提供了系统级的优势，例如缓解电网峰值电力需求和支持分布式能源的可靠运行。先进的模拟模型和智能充电算法可以实现精确的能源管理优化，提高电网弹性并减少对高排放发电厂的依赖。随着V2G系统得到更广泛的应用，这些技术的持续开发和严格验证对于构建更可持续、更强大的能源基础设施至关重要。

作者：Graham Dudgeon博士，MathWorks电气技术顾问产品经理

来源：荣格-《国际汽车设计及制造》

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