全球范圍內電動汽車銷量和可再生能源產量正在上升。電動汽車充電所引發(fā)的電力需求可能會使總電力消耗量急劇增加。如果當前的全球趨勢繼續(xù)下去，工程師面臨的主要挑戰(zhàn)將是管理由供需變化和電動汽車以不同的間隔連接電網(wǎng)而導致的電網(wǎng)超載所造成的復雜能源流。一種解決方案是使用電動汽車電池作為儲能資產來改善電網(wǎng)響應，即車輛到電網(wǎng) (V2G)。V2G 支持分布式能源資源的安全運行，并有助于管理復雜的能源流、提高效率并最大限度地減少能源損失。

管理這些動態(tài)電力系統(tǒng)是一項復雜的工作，需要兩項關鍵能力：1）實現(xiàn)電動汽車和電網(wǎng)之間的雙向電力流動；2）預測電動汽車預計連接到電網(wǎng)的總體電力負荷和時間范圍。為此，工程師必須依靠雙向電源轉換器和基于模擬的技術開發(fā)。

開發(fā)雙向電源轉換器

使用電動汽車電池作為存儲單元需要一個允許電流流動的雙向電源轉換器和一個管理設備切換以調節(jié)電壓和電流的數(shù)字控制系統(tǒng)。這些組件使轉換器能夠實現(xiàn)電池和電力系統(tǒng)之間所需的功率流動。

在雙向電源轉換器開發(fā)中，設計工程師使用臺式計算機上的行為模型來模擬電池、電源轉換器及其控制算法和電網(wǎng)連接。仿真模型的價值在于它能夠準確地表示技術在開發(fā)中的行為并解決開發(fā)過程每個階段的工程挑戰(zhàn)。例如，轉換器平均值模型可以在反饋控制設計中實現(xiàn)。這些模型準確捕捉控制系統(tǒng)帶寬內的電壓和電流響應，同時忽略電力電子開關的影響。這簡化了模型，因為它不需要在更高的頻率下進行模擬，從而使工程師能夠快速執(zhí)行控制設計迭代。桌面模擬還可用于評估并網(wǎng)充電站的響應、評估是否符合電網(wǎng)規(guī)范以及開發(fā)可提高系統(tǒng)正常運行時間的預測性維護算法。

雙向電源轉換器的控制設計包括調整控制參數(shù)以實現(xiàn)穩(wěn)定、快速的響應并提供對四象限控制的支持，使系統(tǒng)能夠控制電流流動的方向和電壓極性。一旦設計了反饋控制，工程師就可以在包含電力電子開關的更詳細的模型上對其進行評估。作為反饋控制系統(tǒng)驗證的一部分，該評估評估了高頻諧波的影響。

桌面模擬還可用于評估在物理硬件上難以測試或危險的條件下的系統(tǒng)響應。例如，故障模擬允許工程師在安全、可重復的環(huán)境中開發(fā)和徹底測試故障監(jiān)控和隔離算法。在桌面環(huán)境中驗證和確認設計后，控制和監(jiān)控算法可以自動轉換為生產質量的 C 或 HDL 代碼。然后可以在實時環(huán)境中測試該代碼，以在做出最終硬件選擇之前進一步降低風險。

將雙向電源轉換器集成到電力系統(tǒng)中只是挑戰(zhàn)的一部分。為了確保大規(guī)模部署電動汽車和雙向電源轉換器不會損害電網(wǎng)的穩(wěn)定性或可靠性，工程師必須確定這些系統(tǒng)在各種運行條件下如何與電網(wǎng)互動。工程師采用一種重要工具來評估組件和電網(wǎng)級性能：系統(tǒng)級模擬研究。

雙向充電器將電動汽車轉變?yōu)橐苿幽茉促Y產，實現(xiàn) V2G。

開展模擬研究評估電動汽車充電對電網(wǎng)的影響

評估電動汽車充電對電網(wǎng)響應的影響需要詳細的電力系統(tǒng)仿真研究，工程師使用基于模型的設計來執(zhí)行這些研究。電力系統(tǒng)仿真大致分為兩種類型：相量和電磁暫變 (EMT)。相量模擬更適合電動汽車充電的長期電網(wǎng)影響研究，因為它們能夠在更大的步驟和更長的時間段內進行準靜態(tài)模擬。準靜態(tài)模擬不需要詳細的模擬動態(tài)響應。相反，它專注于在許多操作點之間移動，其中時間步長可以從幾分鐘到一個小時，研究的時間段可以從幾個小時到一年或更長時間。

長期準靜態(tài)模擬提供了整個系統(tǒng)生命周期內預期電力需求的信息。它們用于組件尺寸確定、技術組合評估和系統(tǒng)升級規(guī)劃。當需要有關特定技術運行的更詳細信息時，EMT 研究是必要的，例如評估電力電子開關諧波對電力系統(tǒng)的影響。

電動汽車充電站通常通過基于逆變器的資源 (IBR) 連接到電網(wǎng)，IBR 是通過數(shù)字控制操作的電源轉換器。IBR 模擬需要很小的時間步驟（大約微秒或納秒）來捕捉電力電子開關的影響，以及電力轉換器拓撲和控制系統(tǒng)的詳細建模。

電網(wǎng)影響研究要求工程師考慮涉及在多個電網(wǎng)位置連接電動汽車的數(shù)千種運行場景。為了大規(guī)模高效地模擬作戰(zhàn)場景，并行計算可以將場景分布在多個核心上。

車輛到電網(wǎng)系統(tǒng)用于支持微電網(wǎng)的高效運行和穩(wěn)定性。

Lumen Freedom 開發(fā)支持 V2G 的無線充電系統(tǒng)

Lumen Freedom使用基于模型的設計來開發(fā)具有內置靈活性的無線充電系統(tǒng)，以滿足未來的需求。為通信系統(tǒng)、電力電子和狀態(tài)機創(chuàng)建模型使工程師能夠模擬系統(tǒng)的運行。工程師使用 MATLAB 和 Simulink 設計核心軟件模型、整個系統(tǒng)的主要邏輯以及管理車輛和充電板之間通信的通信控制器。Lumen Freedom 總經(jīng)理 Rod Wilson 表示：“當需求出現(xiàn)時，我們的系統(tǒng)將為向車輛到家庭和車輛到電網(wǎng)場景的過渡做好準備。”

V2G 作為電網(wǎng)現(xiàn)代化的催化劑

V2G 技術可以通過實現(xiàn)雙向電動汽車電池充電來提高電網(wǎng)穩(wěn)定性和效率。這種方法提供了系統(tǒng)級的優(yōu)勢，例如緩解電網(wǎng)峰值電力需求和支持分布式能源的可靠運行。先進的模擬模型和智能充電算法可以實現(xiàn)精確的能源管理優(yōu)化，提高電網(wǎng)彈性并減少對高排放發(fā)電廠的依賴。隨著 V2G 系統(tǒng)得到更廣泛的應用，這些技術的持續(xù)開發(fā)和嚴格驗證對于構建更可持續(xù)、更強大的能源基礎設施至關重要。

本文作者

Graham Dudgeon，MathWorks

Graham Dudgeon 是 MathWorks 電氣技術顧問產品經(jīng)理。在過去的二十年里，Graham 為電氣技術領域的多個行業(yè)提供支持，包括航空航天、船舶、汽車、工業(yè)自動化、醫(yī)療設備和電力與公用設施。Graham 的技術經(jīng)驗涵蓋傳動與配電、電網(wǎng)整合、可再生能源、電力轉換、電機&驅動器、微電網(wǎng)、電動飛機、電動船舶和電動汽車，重點是系統(tǒng)建模和仿真、控制設計和數(shù)據(jù)分析。在加入 MathWorks 之前，Graham 是英國蘇格蘭思克萊德大學勞斯萊斯大學電力系統(tǒng)技術中心的高級研究員。