一種電動(dòng)汽車儲(chǔ)能充放電虛擬同步電機(jī)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電動(dòng)汽車儲(chǔ)能的控制方法，具體涉及一種電動(dòng)汽車儲(chǔ)能充放電虛 擬同步電機(jī)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著化石燃料的不斷消耗，全球范圍內(nèi)的能源危機(jī)和環(huán)境問題日益加劇。傳統(tǒng)燃 油型汽車作為化石燃料的一大消費(fèi)者，面臨著巨大的挑戰(zhàn)。近年來，借助于電池、可再生能 源并網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電動(dòng)汽車的發(fā)展引起了廣泛的關(guān)注。伴隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展， 其對(duì)配電網(wǎng)增容、規(guī)劃、建設(shè)、電能質(zhì)量等方面的影響也越發(fā)突出。電動(dòng)汽車的充放電接 口作為電動(dòng)汽車與電網(wǎng)之間的重要橋梁和紐帶，其電路和先進(jìn)控制策略具有重要的研究?jī)r(jià) 值。一方面，電動(dòng)汽車充電接口的交直流電能變換過程可能會(huì)給配電網(wǎng)帶來大量的諧波污 染。電網(wǎng)側(cè)亟需一些電網(wǎng)友好、與電網(wǎng)互動(dòng)的高性能并網(wǎng)接口，在保證電網(wǎng)電能質(zhì)量的情況 下，使電動(dòng)汽車負(fù)荷具有一定的需求側(cè)響應(yīng)調(diào)節(jié)能力，并具有一定的慣性和阻尼，減輕電動(dòng) 汽車負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響。另一方面，為了適應(yīng)電動(dòng)汽車的實(shí)用化，其充放電接口及其控制技 術(shù)也有待進(jìn)一步的研究。
[0003] 為了有效應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，使之成為更加符合電網(wǎng)需求的"模范負(fù)荷"， 已有部分文獻(xiàn)就此進(jìn)行了研究，這些研究按充電功率的大小可以分為兩大類。首先，對(duì)于充 電功率要求不高的小功率慢充場(chǎng)合，電動(dòng)汽車電網(wǎng)互動(dòng)（VehicletoGrid，V2G)、充電電路 的設(shè)計(jì)等得到了廣泛的研究。為了整合電動(dòng)汽車的電池為電網(wǎng)提供必要的輔助服務(wù)，需要 除電動(dòng)汽車、電網(wǎng)外的第三方調(diào)度控制中心，增加了系統(tǒng)成本和問題的復(fù)雜性。在高壓大功 率的集中式快速充電應(yīng)用場(chǎng)合，高壓DC/DC變換器、電能質(zhì)量治理等問題也得到了關(guān)注。然 而現(xiàn)有研究很少考慮電動(dòng)汽車的需求側(cè)響應(yīng)、電網(wǎng)友好等電網(wǎng)側(cè)需求。在先進(jìn)控制策略的 作用下，若能將充放電電路等效為與電網(wǎng)交互的自治單元，并滿足電網(wǎng)友好、需求側(cè)響應(yīng)等 高級(jí)功能，對(duì)于加快電動(dòng)汽車的發(fā)展和降低其對(duì)電網(wǎng)的影響都具有十分重要的意義。這不 但能降低電動(dòng)汽車高滲透率對(duì)配電網(wǎng)穩(wěn)定和電能質(zhì)量帶來的不利影響，還能有效滿足用戶 對(duì)快速恒功率充電的需求。借鑒傳統(tǒng)電網(wǎng)中的同步電機(jī)技術(shù)，若能在虛擬電機(jī)控制策略的 作用下將電動(dòng)汽車的充放電電路接口等效控制為同步電機(jī)，即可自動(dòng)地使其具有與電網(wǎng)間 交互、需求側(cè)響應(yīng)等高級(jí)功能。
[0004] 為了規(guī)范電動(dòng)汽車充電設(shè)備的電壓序列，美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)推出了SAEJ1772 充電標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范指導(dǎo)電氣接口電路的設(shè)計(jì)和制造。該標(biāo)準(zhǔn)將充電系統(tǒng)分為三個(gè)等級(jí)，即交流 等級(jí)1、交流等級(jí)2和直流等級(jí)，以分別滿足常規(guī)充電和快速充電的不同需求。為了滿足電 動(dòng)汽車常規(guī)充電的需求，該標(biāo)準(zhǔn)中的交流等級(jí)1和等級(jí)2要求充電設(shè)備從單相交流電網(wǎng)取 電，且為電動(dòng)汽車提供2~8kW的常規(guī)充電能力。為了滿足電動(dòng)汽車的快速充電需求，在直 流等級(jí)中要求最大能為電動(dòng)汽車提供400A、240kW的充電能力。該標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)還規(guī)定直流等 級(jí)充電設(shè)備的最低輸入母線電壓為600V，而電動(dòng)汽車電池的電壓都較低，一般為36V、48V、 60V和72V等。可見，為了滿足充放電電路中直流母線與電動(dòng)汽車電池之間的電壓匹配，需 要在兩者之間引入大功率、寬輸出電壓范圍的DC/DC變換器。
[0005] 現(xiàn)有比較常見的電動(dòng)汽車充電接口電路主要有圖1所示三類。
[0006]1.帶工頻隔離的不控整流結(jié)構(gòu)，如圖1 (a)所示。該類接口電路的主要優(yōu)點(diǎn)是： 動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力強(qiáng)、直流側(cè)紋波電壓小等。然而，由于隔離變壓器的存在，使得整個(gè)系統(tǒng)體積 偏大；此外，不可控整流器使得大量諧波電流注入電網(wǎng)，嚴(yán)重情況下，電流總畸變率（Total HarmonicDistortion,THD)可能超過 80%。
[0007] 2.高頻隔離的不控整流結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示。由于采用了高頻變壓器隔離技術(shù)， 系統(tǒng)的體積較工頻隔離方式明顯降低。然而，研究表明：該類接口電路的電流THD仍高達(dá) 30%。
[0008] 3.高頻隔離的PWM整流結(jié)構(gòu)，如圖1 (c)所示。由于整流器側(cè)采用了PWM控制方 式，能明顯提高功率因數(shù)、降低電流THD，且體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。然而，該結(jié)構(gòu)的充放電電路 還無法達(dá)到電網(wǎng)交互、需求側(cè)響應(yīng)的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種電動(dòng)汽車儲(chǔ)能充放電虛擬同步電 機(jī)控制方法，通過虛擬電機(jī)技術(shù)使得電動(dòng)汽車儲(chǔ)能響應(yīng)配網(wǎng)頻率/電壓變化，具備參與配 網(wǎng)調(diào)節(jié)的能力。
[0010] 本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0011] 本發(fā)明提供一種電動(dòng)汽車儲(chǔ)能充放電虛擬同步電機(jī)控制方法，所述方法用的充電 電路為高頻隔離的PWM整流電路，所述PWM整流電路包括依次連接的交流接口和直流接口， 所述交流接口采用H橋AC/DC整流電路，用于將電網(wǎng)電壓整流為600V的直流電壓；所述直 流接口采用隔離型DC/DC變換器，用于將600V的直流電壓轉(zhuǎn)換為48V的直流電壓，供給電 動(dòng)汽車負(fù)荷；
[0012] 其改進(jìn)之處在于，所述方法包括：
[0013] ①對(duì)交流接口采用虛擬同步電機(jī)控制策略進(jìn)行控制；
[0014] ②對(duì)直流接口采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制控制策略進(jìn)行控制。
[0015] 進(jìn)一步地，所述交流接口的H橋AC/DC整流電路采用三相六橋臂結(jié)構(gòu)，每個(gè)橋臂由 IGBT模塊組成，每個(gè)IGBT模塊由IGBT器件以及與其反并聯(lián)的二級(jí)管組成；所述H橋AC/DC 整流電路與電容器支路Cd。并聯(lián)；交流接口H橋AC/DC整流電路的三相分別對(duì)應(yīng)與電網(wǎng)的三 相連接；
[0016] 所述直流接口的隔離型DC/DC變換器包括變壓器、與變壓器原邊連接的兩相H橋 電路和與變壓器副邊連接的二極管濾波電路；所述兩相H橋電路包括四個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂 由IGBT模塊組成，每個(gè)IGBT模塊由IGBT器件以及與其反并聯(lián)的二級(jí)管組成；所述二極管 濾波電路包括并聯(lián)的二極管支路和電容支路；電感連接在二極管支路和電容支路之間；所 述二極管支路由串聯(lián)的二極管組成。
[0017] 進(jìn)一步地，所述①中：將電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的電動(dòng)汽車電動(dòng)充電樁等效為虛擬同步電機(jī)， 虛擬同步電機(jī)控制的數(shù)學(xué)模型如下：
[0018] 虛擬同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程表示為：
[0019]
[0020] 其中：S為虛擬同步電機(jī)的功角，單位為rad;?為虛擬同步電機(jī)的角速度， 為電網(wǎng)同步角速度，單位為rad/s;H為虛擬同步電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)，單位為s;Te、^和 Td分別為虛擬同步電機(jī)的電磁、機(jī)械轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩，單位為N?m;D為阻尼系數(shù)，單位為 N?m?s/rad;其中，虛擬同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩由虛擬同步電機(jī)三相電勢(shì)ea、eb、e。以及三相輸 出電流ia、ib、ic 得到，即Te =Pe/c〇 = (eaia+ebib+ecic)/c〇 ;
[0021] 虛擬同步電機(jī)的電磁方程表示為：
[0022]
[0023] 其中，L和R分別為虛擬同步電機(jī)的定子電感和電阻，uab。為虛擬同步電機(jī)的機(jī)端 電壓；eab。為虛擬同步電機(jī)三相電勢(shì)的簡(jiǎn)寫；iab。為三相輸出電流ia、ib、i。的簡(jiǎn)寫；定子電感 L和電阻R與交流接口的濾波電感和濾波器及IGBT器件的寄生電阻對(duì)應(yīng)。
[0024] 進(jìn)一步地，交流接口根據(jù)電網(wǎng)的頻率和電壓調(diào)節(jié)其取用電網(wǎng)的有功和無功功率；
[0025]A、有功調(diào)節(jié)：
[0026] 通過對(duì)虛擬同步電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm的調(diào)節(jié)即實(shí)現(xiàn)交流接口中有功指令的調(diào)節(jié)；Tm由 額定轉(zhuǎn)矩指令L和頻率偏差反饋指令A(yù)T兩部分組成，其中I；表示為：
[0027]T〇 =Pref/〇 (3)；
[0028] 其中，PMf為并網(wǎng)逆變器的有功指令，在充放電電路中，PMf即為直流母線電壓PI 調(diào)節(jié)器的控制輸出；頻率響應(yīng)的調(diào)節(jié)通過虛擬的調(diào)頻單元來實(shí)現(xiàn)，虛擬的調(diào)頻單元取為比 例環(huán)節(jié)，即機(jī)械轉(zhuǎn)矩偏差指令A(yù)T表示為：
[0029]AT=kf (f-f〇) (4);
[0030] 其中，f為虛擬同步電機(jī)機(jī)端電壓的頻率，&為電網(wǎng)額定頻率，kf為頻率響應(yīng)系數(shù)， 為恒定的負(fù)數(shù)；
[0031]B、無功調(diào)節(jié)：
[0032] 通過調(diào)節(jié)虛擬同步電機(jī)模型的虛擬電勢(shì)Ep來調(diào)節(jié)其機(jī)端電壓和無功；
[0033] 虛擬同步電機(jī)的虛擬電勢(shì)指令Ep包括：電機(jī)的空載電勢(shì)^、反應(yīng)無功功率調(diào)節(jié)電 勢(shì)AEQ和反應(yīng)機(jī)端電壓調(diào)節(jié)電勢(shì)AEU;
[0034] 反應(yīng)無功功率調(diào)節(jié)的部分電勢(shì)AEQ表示為