论文总字数：22439字

摘 要

本文重点介绍参与网络监管服务的V2G停车场充电站的理论和应用研究，通过研究停车场类充电站的双向变流器，并运用Simulink对其建模，分析谐波特性，提出解决谐波的策略，研究无功补偿问题，提出无功补偿的方法。为了解决将V2G充电站应用于停车场式网络传输的问题，分析了充电站的充放电情况电气行为对电网的影响，本文使用MATLAB / Simulink来对V2G充电站各个子系统进行了分析和建模，模型各部分的模块化设计使仿真变得简单明了参数设置清晰，直观，舒适。根据充电站的设计要求，由于大量的感性负载会产生电压降落，无功补偿可以改善电能质量，结合⽆功功率理论，分析了所建模型瞬时⽆功的检测和补偿控制，给出了了基于 V2G 的⽆功功率补偿技术，并相应的设计V2G电路仿真模型。

关键词：电动汽车；V2G；充电站；双向变流器；谐波抑制；无功补偿

Abstract

This article focuses on the theoretical and application research of V2G parking lot charging stations participating in network supervision services. By studying the two-way converter of parking lot charging stations, and using Simulink to model it, analyze the harmonic characteristics, and propose a solution to harmonics. Strategies, study the problem of reactive power compensation, and propose methods of reactive power compensation. In order to solve the problem of applying V2G charging station to parking lot network transmission, and analyze the impact of charging and discharging of the charging station on the power grid, this paper uses MATLAB / Simulink to park the V2G charging station to analyze and construct each subsystem. The modular design of each part of the model makes the simulation simple and clear. The parameter setting is clear, intuitive and comfortable. According to the design requirements of the charging station, the design scheme of the power distribution system is given. Since a large number of inductive loads will produce voltage drops, reactive power compensation can improve power quality. Combining the theory of reactive power , the built For the detection and compensation control of the model's instantaneous power failure, and the V2G circuit simulation model is designed accordingly. .

Keywords: electric vehicle; V2G; charging station, two-way converter; harmonic suppression, reactive power compensation

目录

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 引言 1

1.1 选题背景及研究的目的与意义 1

1.2电动汽车发展现状 1

1.2.1国外发展现状 2

1.2.2国内发展现状 3

1.2.3电动汽车电能补给方式及相关标准 4

1.3电动汽车V2G的研究现状 5

1.3.1电动汽车V2G的概念 5

1.3.2电动汽车V2G的功能 6

1.3.3电动汽车V2G的实现 8

1.3.4电动汽车V2G的谐波与无功补偿对电网的影响 10

第二章 V2G系统拓扑结构 12

2.1三相逆变器 12

2.2 DC-DC变换器 12

2.3输出滤波器 13

第三章 无功补偿与谐波抑制 14

3.1谐波的产生 14

3.2无功的产生 15

3.3谐波抑制方法 16

第四章 系统仿真 18

第五章 结束语 19

致谢 20

参考文献 21

引言

1.1 选题背景及研究的目的与意义

随着社会经济的不断进步与发展，人类创造了伟大的地球文明，人们生活水平不断提高社会经济不断发展，政治经济水平日益提高，但是也是把双刃剑，化石能源的不断枯竭也是人类面临的问题。所以人们想办法利用清洁能源发电比如太阳能，潮汐能，生物质能，等离子体发电等，用到的电能越来越多，可是电能是不可以大量储存的，这给电能的利用以用电技术的发展造成了瓶颈，而电动汽车具有分布式储能的优点给这一问题提出来了解决的思路，又因为用电高峰和用电低谷在不同的时段，就给本不可以储存电能的电网带来了严峻的考验，因为在用电高峰电网要全部投入运行而在用电低谷部分电网又要退出运行势必会造成发电机发的电用不掉的情况导致电网的低效率运行。

V2G的实现方法有很多种，其中有三种主要的实现方法，第一种是在家中自装充电桩，这种方法给用户带来便利，交通方便的特点，第二种是在高速公路道路两边设置换电站，此种方式优势在于用户的便捷性以及充放电的集中性上[1]，主要分为商用车电池更换站，乘用车电池更换站，综合性换电站，但是他的主要缺点在于不能够自由的选址，选址比较严格，需要考虑地价同时要与电网互动的特点，同时投资成本大，换电网络建设也十分艰巨，其中，停车场内的V2G充电站在V2G充放电服务方面具有特殊优势。这种类型的充电站是指充电站的建设，停车场的建设以及在停车场区域内相应充电站的安装的组合。启用V2G系统后，允许用户的车辆在停车期间参与V2G服务。与换电站和自带充电桩，当电动汽车充电时会引起负载波动等的问题，利用停车场类的充电站可以集中就近解决问题，因此这可以提高电网的运行效率，为解决峰值波动提出方法。目前，对停车场类V2G充电站进行充放电控制研究仍处于探索阶段。使电动机组进入电网以控制充电和放电的关键是制定合理的充电和放电控制策略，以便电动汽车的大规模充电和放电行为可以会使电网运行优化，使另一方面，有一个很大的因素由于采用了调制相关技术的效应，又由于死区时间等因素的影响，即使采用PWM校正技术，即使采用类PWM 矫正技术，由于大量的感性负载还是会产生大量的谐波，电网运行不允许有大量谐波的存在，因此运用V2G技术对电动汽车充电，特别是大量的电动汽车同时充电仍是一个亟待解决的问题，通过对双向变流器的建模，对充放电的谐波进行研究，以及对无功补偿进行研究，建立混合有源滤波模型和动态无功补偿策略。

1.2电动汽车发展现状

电动车辆是使用化学电池组，燃料电池，超级电容器或飞轮作为能量存储元件并由电动机驱动的车辆。根据电动汽车的结构和驱动原理，纯电动车，燃料电池电动汽车，混合动力电动汽车是电动汽车里的只要三类，由于现在化石燃料枯竭，电动汽车可以摆脱化石燃料，不会产生废弃物清洁无污染等显著优点，因此被业界视为意想不到的优势。典型的纯电动汽车的动力系统结构如图1.1所示，电动机，变频器和动力电池主要用于替代传统燃料燃烧汽车等的内燃机和燃料箱，电动汽车中的混合动力汽车是一种全新的具有革命性的一种运输工具在漫漫电动汽车的发展长河中。燃料电池电动车辆是使用燃料电池代替纯电动汽车中的化学蓄电池作为电源的电动车辆。其中具有革命性的是燃料化学电池，普通的原始电池是化学能转变为电能，但是通过燃料化学转换的机理，可以直接将燃料的化学能转变为供用电能驱动的电动汽车的化学能。配备燃料电池的电动汽车与传统的蓄电池驱动的汽车相比行驶距离更长，不需要充电；与配备燃料电池的电动汽车相比，配备燃料电池的电动汽车更节能，更省电。普通汽车加满油即可形式三百至五百公里加一次油仅需要三分钟，而这种电动汽车充一次电需要至少半个小时并且行驶里程远低于燃料汽车，所以混合动力汽车横空出世，混合动力汽车在运行中同时可以使用两种能源即燃料和蓄电池组中的化学能转变为电能，使得混合动力汽车弥补了传统电动汽车的优点，可以与燃料汽车在汽车市场上分庭抗礼。同时可以使用两种能源是混合动力汽车的显著特点（动力电池组）和辅助电源（油箱），寻找一种智能控制和调度方法来对V2G电动汽车进行充电和放电。它具有汽油机车和纯电动汽车的优点。它不仅具有相对较小的排放，而且具有相对较高的行驶里程，但同时也不是完美的..摆脱了对石油资源的依赖。

1.2.1国外发展现状

由于能源危机和环境气候保护，传统的化石能源汽车已经不能满足日益增长的需要，因此日本和欧美国家投入大量的经历与世界在开发电动汽车上，这造成了电动汽车技术上的迅猛发展，他们投入了大量的精力与时间在研发纯电动汽车上。能源部积极推进新款电动汽车研发，东风雪铁龙是在2007年新研制的一款由电机驱动的新款电动汽车，这个进步很大程度上是因为政府和科学部门的双向激励，该系统由电动机驱动，用于驱动发动机动力可以通过专用电机获得，随着电动汽车的发展，在2003年福特推出了新型混合动力汽车C-MAX,200-C也是克莱斯勒公司以2001年推出的混合动力汽车，传统公司的压力下也出现了一些新的电动汽车公司，2008年，基于使用方面的考虑，Lotus Elise跑车是美国特斯拉公司还推出了第一款在莲花基础上的新型开发的Roadster电动汽车。基于许多先进的技术， Tesla Models是一款基于许多先进科技的纯电动汽车，它的满载续航能力为85KWH，最多可以跑480km，支持多种充电模式其中最典型的充电模式是依靠充电桩充电。以快充的先进科技，仅仅需要一个小时。绿色发展是日本的发展理念，日本准备戒指2020年投放1330万辆下一代纯电池驱动的电动汽车，并且准备融资100亿日元开发先进的电动汽车能源电池技术。普锐斯汽车是有日本丰田汽车集团开发的下一代用于无人驾驶的电动汽车，该汽车采用十分先进的无人辅助驾驶系统，集合很多先进的科技。它于1997年投放市场。这是首次将混合动力连接方法用于两组动力系统，汽油发动机和电力驱动的高精度机械设备用于实现动力系统的连接和动力传输。丰田在2015年推出了第四代新普锐斯（Prius），在动力方面虽然不及许多燃油车，但在之前型号的基础上已经有了很大程度的改进，Leaf的峰值扭矩已经很接近许多小型汽油机车的性能。由于巴黎气候保护会议，传统的自然吸气发动机虽然续航里程达，重注燃料时间短，但是超过了，大气中排放污染物的标准，所以许多国家开始转而研究新型的小功率混合动力发动机，该发动机具备很多优点，虽然加注燃料时间不及传统的燃料汽车，但是在污染排放标准上超过了许多汽车，出现这种情况也是欧洲国家对污染物排放标准越来越严格的结果，其中小功率发动机是研究重点。它几乎没有减小其排量的空间，因此欧洲人选择开发电动汽车已成为当务之急。 2013年，德国宝马公司推出了BWM i3纯电动汽车和BWM i8超级混合动力汽车。快速充电模式下，电池最多可充电80％， BMW i极限功率输出为167 hp，续航能力为257 km，使用先进的电机推进系统，最大速度为160 km / h，只需要一个小时，电动版的高尔夫是德国大众公司推出的新一代电动汽车，，并推出了奥迪A3e-tron，A6e-tron，Q 6和许多其他新车。大多数公司计划在2020年之前以Audi标推出所有主要车型的混合动力版本。法国雷诺Z OE和锋朗Z于2012年推出。E. Kangoo Z. E.三款新能源汽车。瑞典沃尔沃发布插电式混合动力汽车，在2013年开发了的这款汽车在SPA模型基础上研发出来的，并宣布将在未来五年内获得新车型的新版本。

1.2.2国内发展现状

我国政府一直在节能，减排和能源安全方面考虑重型电动汽车的巨大发展潜力，我国也制定了相应的战略以应对巴黎气候协定，其中“三个垂直”和三横三纵计划为典型，我国坚持大力发展传统燃油汽车的同时，大力发展新型混合动力汽车，我国也设立了多个奖项已投入到新型电动汽车的发展，因此我国电动汽车的发展呈日新月异之势，从战略规划出发，进行了全国汽车工业的发展，组织机构，高等教育机构和科研院所共同研究，开发来自政府，行业，学习和研究的四合一电动汽车技术，为中国电动汽车的发展奠定了技术基础。在之前国家863计划是要建立大型节能项目和新能源汽车项目“十一五”规划。它将继续坚持“三个垂直和水平”的研发计划，并将重点放在建立三个技术，研发和产品平台的主要目标上。开展电动汽车大规模生产技术研究，成功实施“北京奥运会”，“上海世博会”，“十城千辆”等示范项目。863计划在国家的“十二五”规划把电动汽车关键技术与系统集成项目视为国家发展最新计划，规划投入大量资金在建设新能源汽车网络上，在制造领域促进示范性评估，研究和开发，并建立一个以企业为基础整合关键系统和技术的项目。整合主体的技术创新体系生产，教育和研究支持并推动了中国，由于我国汽车技术仍然处于落后之势，所以在十三五规划中，我国要重点建设新能源汽车网络项目，经过了几年的劈波斩浪，我国的新能源汽车也小有进步，呈腾飞之势，促进了新能源汽车的发展。目前，我国新能源汽车的研究和生产主要分布在轿车和乘用车领域。，我国的汽车企业开发了许多具有所有权和所有权知识的电动汽车通过在该国的大力支持下在对电动汽车V2G充放电智能控制与调节方法进行研究的基础上，在广达的技术人员的努力。我国新能迅速发展，轿车技术制造水平居世界第二，。比亚迪汽车是中国最大的辅助车辆制造商，同时也是中国新能源汽车的领先和先进的制造商。比亚迪的唐级车和秦级电动汽车是它主要发展的两款电动汽车，它在技术实现了飞跃，并在国际制造业竞争中实现了突破，并取得了一定的名次，全球百分之四十的市场份额也是被e5和e6两款纯电动汽车车型占据，中国的比亚迪也在国际市场中独占鳌头，我国的电机技术在过去几年一直处于不利地位，但在近几年新的电机驱动技术横空出世，凭借新进的气动外形和搭载的双电机，可以为本体动力提供额外，在国际市场上也处于领先的状态，凭借这么多的优点，车的能源利用率和转换效率大幅度的提升，获得额外百分之三十的加持。上汽集团在混合动力汽车，纯电动汽车和替代燃料的三个主要域进行布局。 2012年，荣威E50纯电动汽车上市，2016年荣威e55和荣威也上市。 E 9 50和MG是三辆插电式混合动力汽车的混合动力版本。除了这三大制造商之外，吉利，佐蒂，长安，奇瑞和致豆等其他国内汽车制造商也推出了他们的新能源汽车产品。尽管我国新能源汽车发展迅速，新能源汽车的生产和销售处于世界领先地位，但与国际新能源汽车技术相比，我国技术研发的基础相对薄弱，在国际水平上仍然远远落后。

1.2.3电动汽车电能补给方式及相关标准

作为电动汽车推广应用过程中必不可少的环节，电源标准化和整体的标准化在起着电动汽车产业的正常发展至关重要的作用。当前，由于技术原因市场上单向充电模式是市场的主流，单向充电车型是可以被买到的主要车型，但是随着技术的发展，双向充电也像雨后春笋一般的发展，汽车主要的像传统的汽车更换燃料一样充电或者是换电池是车辆动力延续的只要方式。《中国四项电动汽车充电接口和通信协议国家标准》在2011年发布，（GB/T 202 34）中，其中定义了电压和电流标准，定义了四种电动汽车充电模式其中有以通过插入式充电和相应的充电来补充电力。其中，交流充电方式中的模式1，模式2和模式3均为主要充电模式。250V是额定充电电压，16A/32 A是额定充电电流，由于技术限制使得他的充电功率不高。需要较长时间，适合于个人住宅或公共场所为中低速汽车充电；直接充电是模式4基于电流的主要充电方式，750V/1000V是充电电压，为了便于管理和应用直流电压被区分为四个等级，将从0 A到250 分为8个等级。由于国际制造和使用充电汽车的标准众多，国际上将美国汽车工程师协会的SAE标准作为主要的标准，去发展充电桩，以支持电动汽车的群体充放电，这样可大大增加汽车的充电效率，这种快充方式也在国际电工协会，CHADEMO日本的标准中也有类似的涉及。[2]电动汽车充换电的本质是在两个充放电网络间的能量交换，比方说电动汽车在高速公路上电池耗尽市可以去距离最近的换电站进行电池更换工作，这样在电网和车辆间形成了能源交换网络，传统的化石能源被汽车的电池所替代，具有不可比拟的优点。与充电方法相比，充电方法是一种更快的电能再充电方法。然而，存在由不同制造商生产的电动车辆的接口不一致的问题，并且难以大规模地应用它们。美国特斯拉已经启动了电池更换模式的测试点，更换整个电池组仅需3分钟，这比大多数燃料动力机车要短，而且成本可与豪华轿车通过加注化石燃料所用时间相媲美。

1.3电动汽车V2G的研究现状

1.3.1电动汽车V2G的概念

电动汽车接入电网会带来全新的挑战与机遇，，随着电动汽车进入千家万户，也会呈现许多的问题，首先对电网方面会带来不小的压力，对于个人方面如何合理的充放电也是要十分注意的问题，其中会出现一些主要的问题如下：1.由于电动汽车是大量的感性负载，当在用电高峰时，如果大量的汽车接入电网会带来不小的负荷波动，如果在低峰期接入负载优惠造成电网的运行效率低下等的问题。大大增加了使用电网的压力2.由于电动汽车用户将电动汽车接入电网的时间具有离散型，所以不能针对每个用户提供最为精确的充放电策略，所以需要合理统筹，因为使用者的不同的时间和地点去给电动汽车充电，这给电网的运行维护出了很大的难题。 3.配电网也要跟上负荷波动的变化，所以因此要大规模的作出适应性的调整，根据负荷特性与结构合理的改善配电网，要仔细研究电动汽车的接入电网给配电网造成的影响进行相应的升级和换代。。

许多国外专家已经进行了很多相关研究就关于当前的电网是否可以接受由电动汽车的充电引起的负荷增加。电动汽车的英国普及率10％（注意：这里的普及率是指电动汽车的充电负荷与线路上的最大负荷之比）会导致每天的能源需求增加，如果将渗透率提高到20％，35.8％是每天的最高能量需求将增加量。文章[3]指出了在比利时当地人研究了当电动汽车接入电网时，测试展现了当负载有大规模波动时，百分之三十的透光率电动汽车使该地区的电能下降10％。

1. 不同电动汽车渗透率夏加州电网电能需求与日峰值功率增长情况 (b)丹麦Danish海岛引入2200辆电动汽车对当地日电力负荷影响

图1.2大规模电动汽车充电对电网的影响

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