一种电动汽车储能充放电虚拟同步电机控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电动汽车储能的控制方法，具体涉及一种电动汽车储能充放电虚 拟同步电机控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着化石燃料的不断消耗，全球范围内的能源危机和环境问题日益加剧。传统燃 油型汽车作为化石燃料的一大消费者，面临着巨大的挑战。近年来，借助于电池、可再生能 源并网技术的不断进步，电动汽车的发展引起了广泛的关注。伴随着电动汽车的快速发展， 其对配电网增容、规划、建设、电能质量等方面的影响也越发突出。电动汽车的充放电接 口作为电动汽车与电网之间的重要桥梁和纽带，其电路和先进控制策略具有重要的研究价 值。一方面，电动汽车充电接口的交直流电能变换过程可能会给配电网带来大量的谐波污 染。电网侧亟需一些电网友好、与电网互动的高性能并网接口，在保证电网电能质量的情况 下，使电动汽车负荷具有一定的需求侧响应调节能力，并具有一定的惯性和阻尼，减轻电动 汽车负荷对电网的影响。另一方面，为了适应电动汽车的实用化，其充放电接口及其控制技 术也有待进一步的研究。
[0003] 为了有效应对电动汽车的快速发展，使之成为更加符合电网需求的"模范负荷"， 已有部分文献就此进行了研究，这些研究按充电功率的大小可以分为两大类。首先，对于充 电功率要求不高的小功率慢充场合，电动汽车电网互动（VehicletoGrid，V2G)、充电电路 的设计等得到了广泛的研究。为了整合电动汽车的电池为电网提供必要的辅助服务，需要 除电动汽车、电网外的第三方调度控制中心，增加了系统成本和问题的复杂性。在高压大功 率的集中式快速充电应用场合，高压DC/DC变换器、电能质量治理等问题也得到了关注。然 而现有研究很少考虑电动汽车的需求侧响应、电网友好等电网侧需求。在先进控制策略的 作用下，若能将充放电电路等效为与电网交互的自治单元，并满足电网友好、需求侧响应等 高级功能，对于加快电动汽车的发展和降低其对电网的影响都具有十分重要的意义。这不 但能降低电动汽车高渗透率对配电网稳定和电能质量带来的不利影响，还能有效满足用户 对快速恒功率充电的需求。借鉴传统电网中的同步电机技术，若能在虚拟电机控制策略的 作用下将电动汽车的充放电电路接口等效控制为同步电机，即可自动地使其具有与电网间 交互、需求侧响应等高级功能。
[0004] 为了规范电动汽车充电设备的电压序列，美国汽车工程师协会推出了SAEJ1772 充电标准，规范指导电气接口电路的设计和制造。该标准将充电系统分为三个等级，即交流 等级1、交流等级2和直流等级，以分别满足常规充电和快速充电的不同需求。为了满足电 动汽车常规充电的需求，该标准中的交流等级1和等级2要求充电设备从单相交流电网取 电，且为电动汽车提供2~8kW的常规充电能力。为了满足电动汽车的快速充电需求，在直 流等级中要求最大能为电动汽车提供400A、240kW的充电能力。该标准同时还规定直流等 级充电设备的最低输入母线电压为600V，而电动汽车电池的电压都较低，一般为36V、48V、 60V和72V等。可见，为了满足充放电电路中直流母线与电动汽车电池之间的电压匹配，需 要在两者之间引入大功率、宽输出电压范围的DC/DC变换器。
[0005] 现有比较常见的电动汽车充电接口电路主要有图1所示三类。
[0006]1.带工频隔离的不控整流结构，如图1 (a)所示。该类接口电路的主要优点是： 动态响应能力强、直流侧纹波电压小等。然而，由于隔离变压器的存在，使得整个系统体积 偏大；此外，不可控整流器使得大量谐波电流注入电网，严重情况下，电流总畸变率（Total HarmonicDistortion,THD)可能超过 80%。
[0007] 2.高频隔离的不控整流结构，如图1(b)所示。由于采用了高频变压器隔离技术， 系统的体积较工频隔离方式明显降低。然而，研究表明：该类接口电路的电流THD仍高达 30%。
[0008] 3.高频隔离的PWM整流结构，如图1 (c)所示。由于整流器侧采用了PWM控制方 式，能明显提高功率因数、降低电流THD，且体积小、动态响应好。然而，该结构的充放电电路 还无法达到电网交互、需求侧响应的目的。
【发明内容】
[0009] 针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种电动汽车储能充放电虚拟同步电 机控制方法，通过虚拟电机技术使得电动汽车储能响应配网频率/电压变化，具备参与配 网调节的能力。
[0010] 本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
[0011] 本发明提供一种电动汽车储能充放电虚拟同步电机控制方法，所述方法用的充电 电路为高频隔离的PWM整流电路，所述PWM整流电路包括依次连接的交流接口和直流接口， 所述交流接口采用H桥AC/DC整流电路，用于将电网电压整流为600V的直流电压；所述直 流接口采用隔离型DC/DC变换器，用于将600V的直流电压转换为48V的直流电压，供给电 动汽车负荷；
[0012] 其改进之处在于，所述方法包括：
[0013] ①对交流接口采用虚拟同步电机控制策略进行控制；
[0014] ②对直流接口采用电压外环和电流内环的双环控制控制策略进行控制。
[0015] 进一步地，所述交流接口的H桥AC/DC整流电路采用三相六桥臂结构，每个桥臂由 IGBT模块组成，每个IGBT模块由IGBT器件以及与其反并联的二级管组成；所述H桥AC/DC 整流电路与电容器支路Cd。并联；交流接口H桥AC/DC整流电路的三相分别对应与电网的三 相连接；
[0016] 所述直流接口的隔离型DC/DC变换器包括变压器、与变压器原边连接的两相H桥 电路和与变压器副边连接的二极管滤波电路；所述两相H桥电路包括四个桥臂，每个桥臂 由IGBT模块组成，每个IGBT模块由IGBT器件以及与其反并联的二级管组成；所述二极管 滤波电路包括并联的二极管支路和电容支路；电感连接在二极管支路和电容支路之间；所 述二极管支路由串联的二极管组成。
[0017] 进一步地，所述①中：将电网并网点的电动汽车电动充电桩等效为虚拟同步电机， 虚拟同步电机控制的数学模型如下：
[0018] 虚拟同步电机的转矩方程表示为：
[0019]
[0020] 其中：S为虚拟同步电机的功角，单位为rad;?为虚拟同步电机的角速度， 为电网同步角速度，单位为rad/s;H为虚拟同步电机的惯性时间常数，单位为s;Te、^和 Td分别为虚拟同步电机的电磁、机械转矩和阻尼转矩，单位为N?m;D为阻尼系数，单位为 N?m?s/rad;其中，虚拟同步电机电磁转矩由虚拟同步电机三相电势ea、eb、e。以及三相输 出电流ia、ib、ic 得到，即Te =Pe/c〇 = (eaia+ebib+ecic)/c〇 ;
[0021] 虚拟同步电机的电磁方程表示为：
[0022]
[0023] 其中，L和R分别为虚拟同步电机的定子电感和电阻，uab。为虚拟同步电机的机端 电压；eab。为虚拟同步电机三相电势的简写；iab。为三相输出电流ia、ib、i。的简写；定子电感 L和电阻R与交流接口的滤波电感和滤波器及IGBT器件的寄生电阻对应。
[0024] 进一步地，交流接口根据电网的频率和电压调节其取用电网的有功和无功功率；
[0025]A、有功调节：
[0026] 通过对虚拟同步电机机械转矩Tm的调节即实现交流接口中有功指令的调节；Tm由 额定转矩指令L和频率偏差反馈指令AT两部分组成，其中I；表示为：
[0027]T〇 =Pref/〇 (3)；
[0028] 其中，PMf为并网逆变器的有功指令，在充放电电路中，PMf即为直流母线电压PI 调节器的控制输出；频率响应的调节通过虚拟的调频单元来实现，虚拟的调频单元取为比 例环节，即机械转矩偏差指令AT表示为：
[0029]AT=kf (f-f〇) (4);
[0030] 其中，f为虚拟同步电机机端电压的频率，&为电网额定频率，kf为频率响应系数， 为恒定的负数；
[0031]B、无功调节：
[0032] 通过调节虚拟同步电机模型的虚拟电势Ep来调节其机端电压和无功；
[0033] 虚拟同步电机的虚拟电势指令Ep包括：电机的空载电势^、反应无功功率调节电 势AEQ和反应机端电压调节电势AEU;
[0034] 反应无功功率调节的部分电势AEQ表示为