全球范圍內(nèi)電動(dòng)汽車銷量和可再生能源產(chǎn)量正在上升。電動(dòng)汽車充電所引發(fā)的電力需求可能會(huì)使總電力消耗量急劇增加。如果當(dāng)前的全球趨勢(shì)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(dòng)汽車以不同的間隔連接電網(wǎng)而導(dǎo)致的電網(wǎng)超載所造成的復(fù)雜能源流。一種解決方案是使用電動(dòng)汽車電池作為儲(chǔ)能資產(chǎn)來(lái)改善電網(wǎng)響應(yīng)，即車輛到電網(wǎng) (V2G)。V2G 支持分布式能源資源的安全運(yùn)行，并有助于管理復(fù)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(dòng)態(tài)電力系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，需要兩項(xiàng)關(guān)鍵能力：1）實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車和電網(wǎng)之間的雙向電力流動(dòng)；2）預(yù)測(cè)電動(dòng)汽車預(yù)計(jì)連接到電網(wǎng)的總體電力負(fù)荷和時(shí)間范圍。為此，工程師必須依靠雙向電源轉(zhuǎn)換器和基于模擬的技術(shù)開發(fā)。

開發(fā)雙向電源轉(zhuǎn)換器

使用電動(dòng)汽車電池作為存儲(chǔ)單元需要一個(gè)允許電流流動(dòng)的雙向電源轉(zhuǎn)換器和一個(gè)管理設(shè)備切換以調(diào)節(jié)電壓和電流的數(shù)字控制系統(tǒng)。這些組件使轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)電池和電力系統(tǒng)之間所需的功率流動(dòng)。

在雙向電源轉(zhuǎn)換器開發(fā)中，設(shè)計(jì)工程師使用臺(tái)式計(jì)算機(jī)上的行為模型來(lái)模擬電池、電源轉(zhuǎn)換器及其控制算法和電網(wǎng)連接。仿真模型的價(jià)值在于它能夠準(zhǔn)確地表示技術(shù)在開發(fā)中的行為并解決開發(fā)過(guò)程每個(gè)階段的工程挑戰(zhàn)。例如，轉(zhuǎn)換器平均值模型可以在反饋控制設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)。這些模型準(zhǔn)確捕捉控制系統(tǒng)帶寬內(nèi)的電壓和電流響應(yīng)，同時(shí)忽略電力電子開關(guān)的影響。這簡(jiǎn)化了模型，因?yàn)樗恍枰诟叩念l率下進(jìn)行模擬，從而使工程師能夠快速執(zhí)行控制設(shè)計(jì)迭代。桌面模擬還可用于評(píng)估并網(wǎng)充電站的響應(yīng)、評(píng)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(yùn)行時(shí)間的預(yù)測(cè)性維護(hù)算法。

雙向電源轉(zhuǎn)換器的控制設(shè)計(jì)包括調(diào)整控制參數(shù)以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、快速的響應(yīng)并提供對(duì)四象限控制的支持，使系統(tǒng)能夠控制電流流動(dòng)的方向和電壓極性。一旦設(shè)計(jì)了反饋控制，工程師就可以在包含電力電子開關(guān)的更詳細(xì)的模型上對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。作為反饋控制系統(tǒng)驗(yàn)證的一部分，該評(píng)估評(píng)估了高頻諧波的影響。

桌面模擬還可用于評(píng)估在物理硬件上難以測(cè)試或危險(xiǎn)的條件下的系統(tǒng)響應(yīng)。例如，故障模擬允許工程師在安全、可重復(fù)的環(huán)境中開發(fā)和徹底測(cè)試故障監(jiān)控和隔離算法。在桌面環(huán)境中驗(yàn)證和確認(rèn)設(shè)計(jì)后，控制和監(jiān)控算法可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)質(zhì)量的 C 或 HDL 代碼。然后可以在實(shí)時(shí)環(huán)境中測(cè)試該代碼，以在做出最終硬件選擇之前進(jìn)一步降低風(fēng)險(xiǎn)。

將雙向電源轉(zhuǎn)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(dòng)汽車和雙向電源轉(zhuǎn)換器不會(huì)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(yùn)行條件下如何與電網(wǎng)互動(dòng)。工程師采用一種重要工具來(lái)評(píng)估組件和電網(wǎng)級(jí)性能：系統(tǒng)級(jí)模擬研究。

雙向充電器將電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)變?yōu)橐苿?dòng)能源資產(chǎn)，實(shí)現(xiàn) V2G。

開展模擬研究評(píng)估電動(dòng)汽車充電對(duì)電網(wǎng)的影響

評(píng)估電動(dòng)汽車充電對(duì)電網(wǎng)響應(yīng)的影響需要詳細(xì)的電力系統(tǒng)仿真研究，工程師使用基于模型的設(shè)計(jì)來(lái)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(dòng)汽車充電的長(zhǎng)期電網(wǎng)影響研究，因?yàn)樗鼈兡軌蛟诟蟮牟襟E和更長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)模擬。準(zhǔn)靜態(tài)模擬不需要詳細(xì)的模擬動(dòng)態(tài)響應(yīng)。相反，它專注于在許多操作點(diǎn)之間移動(dòng)，其中時(shí)間步長(zhǎng)可以從幾分鐘到一個(gè)小時(shí)，研究的時(shí)間段可以從幾個(gè)小時(shí)到一年或更長(zhǎng)時(shí)間。

長(zhǎng)期準(zhǔn)靜態(tài)模擬提供了整個(gè)系統(tǒng)生命周期內(nèi)預(yù)期電力需求的信息。它們用于組件尺寸確定、技術(shù)組合評(píng)估和系統(tǒng)升級(jí)規(guī)劃。當(dāng)需要有關(guān)特定技術(shù)運(yùn)行的更詳細(xì)信息時(shí)，EMT 研究是必要的，例如評(píng)估電力電子開關(guān)諧波對(duì)電力系統(tǒng)的影響。

電動(dòng)汽車充電站通常通過(guò)基于逆變器的資源 (IBR) 連接到電網(wǎng)，IBR 是通過(guò)數(shù)字控制操作的電源轉(zhuǎn)換器。IBR 模擬需要很小的時(shí)間步驟（大約微秒或納秒）來(lái)捕捉電力電子開關(guān)的影響，以及電力轉(zhuǎn)換器拓?fù)浜涂刂葡到y(tǒng)的詳細(xì)建模。

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

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

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

Lumen Freedom使用基于模型的設(shè)計(jì)來(lái)開發(fā)具有內(nèi)置靈活性的無(wú)線充電系統(tǒng)，以滿足未來(lái)的需求。為通信系統(tǒng)、電力電子和狀態(tài)機(jī)創(chuàng)建模型使工程師能夠模擬系統(tǒng)的運(yùn)行。工程師使用 MATLAB 和 Simulink 設(shè)計(jì)核心軟件模型、整個(gè)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(dāng)需求出現(xiàn)時(shí)，我們的系統(tǒng)將為向車輛到家庭和車輛到電網(wǎng)場(chǎng)景的過(guò)渡做好準(zhǔn)備。”

V2G 作為電網(wǎng)現(xiàn)代化的催化劑

V2G 技術(shù)可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)雙向電動(dòng)汽車電池充電來(lái)提高電網(wǎng)穩(wěn)定性和效率。這種方法提供了系統(tǒng)級(jí)的優(yōu)勢(shì)，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(yùn)行。先進(jìn)的模擬模型和智能充電算法可以實(shí)現(xiàn)精確的能源管理優(yōu)化，提高電網(wǎng)彈性并減少對(duì)高排放發(fā)電廠的依賴。隨著 V2G 系統(tǒng)得到更廣泛的應(yīng)用，這些技術(shù)的持續(xù)開發(fā)和嚴(yán)格驗(yàn)證對(duì)于構(gòu)建更可持續(xù)、更強(qiáng)大的能源基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要。

本文作者

Graham Dudgeon，MathWorks

Graham Dudgeon 是 MathWorks 電氣技術(shù)顧問(wèn)產(chǎn)品經(jīng)理。在過(guò)去的二十年里，Graham 為電氣技術(shù)領(lǐng)域的多個(gè)行業(yè)提供支持，包括航空航天、船舶、汽車、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備和電力與公用設(shè)施。Graham 的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)涵蓋傳動(dòng)與配電、電網(wǎng)整合、可再生能源、電力轉(zhuǎn)換、電機(jī)&驅(qū)動(dòng)器、微電網(wǎng)、電動(dòng)飛機(jī)、電動(dòng)船舶和電動(dòng)汽車，重點(diǎn)是系統(tǒng)建模和仿真、控制設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析。在加入 MathWorks 之前，Graham 是英國(guó)蘇格蘭思克萊德大學(xué)勞斯萊斯大學(xué)電力系統(tǒng)技術(shù)中心的高級(jí)研究員。