CN108599175A - 一种应用于电动汽车充电桩的负荷虚拟同步发电机系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于电动汽车充电桩的负荷虚拟同步发电机系统及控制方法，充电桩采用双向DC/DC+双向DC/AC的两级式主电路拓扑，在充电桩的双向DC/AC接口中引入虚拟同步发电机控制技术；在旋转坐标系下引入虚拟阻抗技术，在实现多充电桩并联运行无功功率均衡分配的同时，可有效抑制故障态下的暂态过电流。本发明一方面使整个充电桩具有惯性/阻尼、一次调频与无功调压功能，对外表现出虚拟同步发电机的外特性，另一方面可有效避免大规模充电桩集群引起的无功功率无法均衡分配的问题，有助于提升电网电压与频率稳定性，为更大规模充电桩负荷的接入奠定基础，方法简单有效，利于工程应用。

Description

一种应用于电动汽车充电桩的负荷虚拟同步发电机系统及控 制方法

技术领域

本发明属于电气工程领域，具体涉及一种应用于电动汽车充电桩的负荷虚拟同步发电机系统及控制方法。

背景技术

近年来，我国电动汽车产业得到持续快速发展，作为用电负荷，电动汽车不仅仅是电能消耗者，也是电能生产者，且其可控性、互动性和活跃性更强。然而大规模电动汽车无序接入电网，其动态响应特性和静态出力特性与常规同步发电机具有显著差异，对电网的运行稳定性和供电充裕性产生较大的影响，主要表现为：

1)抑制电网频率扰动的能力趋于减弱，易引发频率稳定性问题。

2)抑制电网电压扰动的能力趋于减弱，易引发电压稳定性问题。

发明内容

针对电动汽车大规模无序接入电网引起的上述问题，本发明在电动汽车充电桩中引入虚拟同步机控制技术，提出一种应用于电动汽车充电桩的负荷虚拟同步发电机系统及控制方法，使其在发挥负荷特性的同时，还能发挥电源的特性，并参与电网频率与电压调节，则必然能提高电网运行稳定性。

本发明的解决方案如下：

该应用于电动汽车充电桩的负荷虚拟同步发电机系统，充电桩等效为一台虚拟同步发电机，充电桩采用双向DC/DC+双向DC/AC的两级式主电路拓扑；控制系统包括：

调速器，接收充电桩的频率参考值ω_ref以及实际值ω，其输出与引入的直接功率控制与直接电压控制输出叠加后，作为同步发电机转子运动方程模型中的机械功率提供给功频控制器；

功频控制器，其输出为同步角θ，用于对定子电压、定子电流进行dq旋转变换；

励磁与无功调节器，接收无功参考值Q_ref以及实际值Q和充电桩的定子电压参考值U_ref以及实际值U_g，输出作为同步发电机机电方程模型中的定子电压参考值提供给定子电压闭环控制单元；

定子电压闭环控制单元，其输出作为定子电流闭环控制单元的参考输入；

所述定子电压闭环控制单元的输出产生PWM控制信号，驱动功率器件动作，由此实现虚拟同步发电机的控制。

进一步的，所述两级式主电路拓扑中，前级DC/DC采用隔离型或非隔离型拓扑，后级DC/AC采用三电平或两电平拓扑，以满足能量双向流动、直流电压宽范围变换及充电桩参与电网频率与电压调节的要求。

对于上述应用于电动汽车充电桩的负荷虚拟同步发电机系统的控制方法，包括以下步骤：

1)根据需求选择充电桩运行模式，即直接功率控制模式或直接电压控制模式，运算得到相应的机械功率提供给功频控制器；

2)将同步发电机转子运动方程模型转换为频域模型，得到功频控制器，其输出为同步角θ；

3)励磁与无功调节器输出作为d轴内电势参考值E_d，将q轴内电势参考值设定为0，基于步骤2)中功频控制器输出的同步角θ分别对定子电压、定子电流进行dq旋转变换；

4)在定子电压d、q轴闭环控制环节引入虚拟电阻R和虚拟电抗L，虚拟电阻R用于抑制暂态故障态下的过电流，虚拟电抗L用于实现多充电桩并联运行时的无功功率均衡分配；再由d、q轴参考内电势分别减去虚拟电阻与虚拟电抗上压降即得到对应同步发电机机电方程模型中的d、q轴定子电压参考值；

5)对定子电压与定子电流分别进行闭环控制并产生PWM并驱动功率器件动作，由此实现基于充电桩的虚拟同步发电机控制。

进一步具体的，建立的同步发电机转子运动方程模型如下：

建立的同步发电机机电方程模型如下：

u_d＝E_d-Ri_d+ωLi_q

u_q＝E_q-Ri_q-ωLi_d

式中：J为同步发电机转动惯量，kg·m²；ω、ω_g分别为同步发电机电气角频率和电网角频率，rad/s；P_m、P_e分别为同步发电机机械、电磁功率，kW；D为同步发电机阻尼系数，N·m·s；u_d、u_q分别为定子电压d、q轴分量，V；E_d、E_q分别为内电势d、q轴分量，V；i_d、i_q分别为定子电流d、q轴分量，A；R、L分别为同步电阻与同步电抗。

进一步的，所述直接功率控制具体是：将充放电功率指令P₀作为机械功率参考值P_m的一部分，即实现直接功率控制并参与电动汽车充放电控制；所述直接电压控制具体是：通过引入直流电压闭环控制并将其输出作为机械功率参考值P_m的一部分，使充电桩具备直接电压控制功能，如下式：

P_dc＝(U_{dc_ref}-U_dc)·PI(s)

式中：U_{dc_ref}、U_dc分别为直流电压参考值和实际值，V。

本发明具有以下有益效果：

充电桩采用双向DC/DC+双向DC/AC的两级式主电路拓扑，双向DC/DC接口可实现直流电压的宽范围、高效率变换；在充电桩的双向DC/AC接口中引入虚拟同步发电机控制技术，使其可根据电网频率变化自主决定吸收/释放功率快慢，并具备阻尼特性，实现真正意义上的网荷友好互动。

充电桩同时具备直接功率控制与直接电压控制功能，运行模式灵活多样；在旋转坐标系下引入虚拟阻抗技术，在实现多充电桩并联运行无功功率均衡分配的同时，可有效抑制故障态下的暂态过电流。

采用该方案，一方面使整个充电桩具有惯性/阻尼、一次调频与无功调压功能，对外表现出虚拟同步发电机的外特性，另一方面可有效避免大规模充电桩集群引起的无功功率无法均衡分配的问题，有助于提升电网电压与频率稳定性，为更大规模充电桩负荷的接入奠定基础，方法简单有效，利于工程应用。

附图说明

图1为两级式充电桩主电路拓扑系统框图；

图2为充电桩虚拟同步发电机总体控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1，采用双向DC/DC+双向DC/AC的两级式主电路拓扑，具体指：为同时满足能量双向流动、直流电压宽范围变换及充电桩参与电网频率与电压调节的要求，前级DC/DC采用隔离型或非隔离型拓扑，后级DC/AC采用三电平或常规两电平拓扑，而常规充电桩能量仅能单向流动，参与电网频率调节能力很有限。

以下参照如图2，对本发明的各个环节分别说明。

基于充电桩DC/AC接口，分别建立转子运动方程和机电方程模型，如下式：

u_d＝E_d-Ri_d+ωLi_q(2)

u_q＝E_q-Ri_q-ωLi_d(3)

式中：J为同步发电机转动惯量，kg·m²；ω、ω_g分别为同步发电机电气角频率和电网角频率，rad/s；P_m、P_e分别为同步发电机机械、电磁功率，kW；D为同步发电机阻尼系数，N·m·s；u_d、u_q分别为定子电压d、q轴分量，V；E_d、E_q分别为内电势d、q轴分量，V；i_d、i_q分别为定子电流d、q轴分量，A；R、L分别为同步电阻与同步电抗。

基于充电桩DC/AC接口，分别引入调速器与励磁调节器模型，具体是指：将充电桩频率参考值ω_ref与实际值ω的偏差经比例调节器后作为调速器输出，如式(4)所示；将充电桩定子电压参考值U_ref与实际值U_g的偏差经比例调节器后作为励磁调节器输出，如式(5)所示。

P_prim＝k_f(ω_ref-ω) (4)

式中：P_prim为与调速器输出对应的功率指令，kW；k_f为调频系数。

E_dU＝k_u(U_ref-U_g) (5)

式中：E_dU、U_g分别为与励磁调节器输出对应的内电势指令与电网电压，V；k_u为励磁调节系数。

不考虑直接功率控制与直接电压控制，将调速器输出P_prim作为转子运动方程中机械功率P_m，则由式(1)～(5)即可构成完整的充电桩虚拟同步机控制。而调速器与励磁调节器的引入，使得充电桩天然的具有下垂特性并具备参与电网频率与电压调节的能力。

基于充电桩DC/AC接口，分别引入直接功率控制与直接电压控制，并与调速器输出P_prim叠加形成机械功率指令。

充电桩具备直接功率控制与直接电压控制功能，具体是指：将充放电功率指令P₀作为机械功率参考值P_m的一部分，即可实现直接功率控制并参与电动汽车充放电控制；而通过引入直流电压闭环控制并将其输出作为机械功率参考值P_m的一部分，可使充电桩具备直接电压控制功能，如下式(6)所示：

P_dc＝(U_{dc_ref}-U_dc)·PI(s) (6)

式中：U_{dc_ref}、U_dc分别为直流电压参考值和实际值，V。

当充电桩运行于直接功率控制模式时，参考机械功率指令为：

P_m＝P₀+P_prim＝P₀+k_f(ω_ref-ω) (7)

此时，充电桩DC/DC接口运行于直流电压支撑模式，对应负载电流指令为：

I_{load_ref}＝(U_{dc_ref}-U_dc)·PI(s) (8)

当充电桩运行于直接电压控制模式时，参考机械功率指令为：

P_m＝P_dc+P_prim＝(U_{dc_ref}-U_dc)·PI(s)+k_f(ω_ref-ω) (9)

此时，充电桩DC/DC接口运行于恒功率模式，对应负载电流指令为：

I_{load_ref}＝(P₀-P)·PI(s) (10)

基于充电桩DC/AC接口，分别引入无功调节器，并与励磁调节器输出E_dU、内电势基准值E₀叠加作为内电势参考值E_d，即：

E_d＝E₀+E_dU+E_dQ＝E₀+k_u(U_ref-U_g)+(Q_ref-Q)·PI(s) (11)

本发明的控制方法包括以下步骤：

步骤1：根据需求选择充电桩运行模式，直接功率控制与直接电压控制模式可灵活设置，并将式(7)或式(9)作为机械功率参考值；

步骤2：将式(1)转换为频域模型，得到功频控制器，其输出为同步角θ；

步骤3：由式(11)可得到d轴内电势参考值为E_d，将q轴内电势参考值设定为0，基于步骤2中功频控制器输出同步角θ分别对定子电压、定子电流进行dq旋转变换；

步骤4：在定子电压d、q轴闭环控制环节引入虚拟电阻R和虚拟电抗L，虚拟电阻R的存在可抑制暂态故障态下的过电流，虚拟电抗L的存在可实现多充电桩并联运行时的无功功率均衡分配；再由d、q轴参考内电势分别减去虚拟电阻与虚拟电抗上压降即可得到d、q轴定子电压参考值；

步骤5：对定子电压与定子电流分别进行闭环控制并产生PWM并驱动功率器件动作，由此实现基于充电桩的虚拟同步机控制。

以上实施例为本发明的一个示例，而非对本申请权利要求的限制，本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴。

Claims (5)

1.一种应用于电动汽车充电桩的负荷虚拟同步发电机系统，其特征在于：充电桩等效为一台虚拟同步发电机，充电桩采用双向DC/DC+双向DC/AC的两级式主电路拓扑；控制系统包括：

调速器，接收充电桩的频率参考值ω_ref以及实际值ω，其输出与引入的直接功率控制与直接电压控制输出叠加后，作为同步发电机转子运动方程模型中的机械功率提供给功频控制器；

功频控制器，其输出为同步角θ，用于对定子电压、定子电流进行dq旋转变换；

励磁与无功调节器，接收无功参考值Q_ref以及实际值Q和充电桩的定子电压参考值U_ref以及实际值U_g，输出作为同步发电机机电方程模型中的定子电压参考值提供给定子电压闭环控制单元；

定子电压闭环控制单元，其输出作为定子电流闭环控制单元的参考输入；

所述定子电压闭环控制单元的输出产生PWM控制信号，驱动功率器件动作，由此实现虚拟同步发电机的控制。

2.根据权利要求1所述的应用于电动汽车充电桩的负荷虚拟同步发电机系统，其特征在于：所述两级式主电路拓扑中，前级DC/DC采用隔离型或非隔离型拓扑，后级DC/AC采用三电平或两电平拓扑，以满足能量双向流动、直流电压宽范围变换及充电桩参与电网频率与电压调节的要求。

3.权利要求1所述应用于电动汽车充电桩的负荷虚拟同步发电机系统的控制方法，包括以下步骤：

1)根据需求选择充电桩运行模式，即直接功率控制模式或直接电压控制模式，运算得到相应的机械功率提供给功频控制器；

2)将同步发电机转子运动方程模型转换为频域模型，得到功频控制器，其输出为同步角θ；

3)励磁与无功调节器输出作为d轴内电势参考值E_d，将q轴内电势参考值设定为0，基于步骤2)中功频控制器输出的同步角θ分别对定子电压、定子电流进行dq旋转变换；

4)在定子电压d、q轴闭环控制环节引入虚拟电阻R和虚拟电抗L，虚拟电阻R用于抑制暂态故障态下的过电流，虚拟电抗L用于实现多充电桩并联运行时的无功功率均衡分配；再由d、q轴参考内电势分别减去虚拟电阻与虚拟电抗上压降即得到对应同步发电机机电方程模型中的d、q轴定子电压参考值；

5)对定子电压与定子电流分别进行闭环控制并产生PWM并驱动功率器件动作，由此实现基于充电桩的虚拟同步发电机控制。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：

建立的同步发电机转子运动方程模型如下：

建立的同步发电机机电方程模型如下：

u_d＝E_d-Ri_d+ωLi_q

u_q＝E_q-Ri_q-ωLi_d

式中：J为同步发电机转动惯量，kg·m²；ω、ω_g分别为同步发电机电气角频率和电网角频率，rad/s；P_m、P_e分别为同步发电机机械、电磁功率，kW；D为同步发电机阻尼系数，N·m·s；u_d、u_q分别为定子电压d、q轴分量，V；E_d、E_q分别为内电势d、q轴分量，V；i_d、i_q分别为定子电流d、q轴分量，A；R、L分别为同步电阻与同步电抗。

5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：

所述直接功率控制具体是：将充放电功率指令P₀作为机械功率参考值P_m的一部分，即实现直接功率控制并参与电动汽车充放电控制；

所述直接电压控制具体是：通过引入直流电压闭环控制并将其输出作为机械功率参考值P_m的一部分，使充电桩具备直接电压控制功能，如下式：

P_dc＝(U_{dc_ref}-U_dc)·PI(s)

式中：U_{dc_ref}、U_dc分别为直流电压参考值和实际值，V。