一种电动汽车单相双向DC/AC变换器自适应控制装置的制作方法

本发明涉及电力电子、自适应控制和计算机控制等技术领域，更具体地，涉及一种电动汽车单相双向DC/AC变换器自适应控制装置。

背景技术：

随着大规模可再生分布式能源电力和电动汽车接入电网，电网的电源和负荷特性发生了显著的变化，电力系统的电力电子化特征越来越明显，给电网的安全稳定运行带来新的挑战。由于在电动汽车双向DC/AC变换器的设计阶段难以事先获得逆变器投运时所在电网的电网阻抗信息，并事先考虑到其它并网逆变器可能造成的影响，因此当电网中(特别是中低压配电网)电动汽车双向DC/AC变换器与电动汽车双向DC/AC变换器之间、电动汽车双向DC/AC变换器与电网之间，通过并网点(point of common coupling，PCC)发生交互作用时，可能引发电动汽车双向DC/AC变换器的谐波振荡，从而产生大量谐波，它轻则影响电网的电能质量，重则会危及电网的安全稳定运行。究其原因，主要是电动汽车双向DC/AC变换器的输出阻抗与并网点PCC的电网阻抗不匹配，引发DC/AC变换器的谐波振荡。

为了解决双向DC/AC并网装置在并网点PCC处与电网阻抗相互作用而引发的谐波振荡的问题，现有的解决办法通常可分为两类。其中一类是将双向并网装置和PCC处的网络阻抗作为一个整体，对整个系统进行稳定性分析；另外一类是对双向并网装置的阻抗进行单独建模，结合PCC处的电网阻抗信息，动态补偿双向并网装置的阻抗或相位裕度，以提高其稳定性和并网电能质量。但现有装置存在如下不足：(1)未能计及在线电网阻抗，装置中即使采用电压前馈相位补偿函数，也只是针对特定的网络参数和电路结构，从而导致当装置电路拓扑结构变化或电网参数变化较大时，其电压前馈相位补偿函数将不再符合要求，还是会出现谐波振荡问题；(2)自适应补偿装置大都是仅针对并网逆变器的逆变过程，不适用于双向DC/AC变换器。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术出现的上述问题，提供一种电动汽车单相双向 DC/AC变换器自适应控制方法及其装置，通过车载双向DC/AC变换器获取PCC处实时的电网阻抗，并根据该实时阻抗，动态补偿双向DC/AC变换器的相角裕度，确保它不发生谐波振荡。

一种电动汽车单相双向DC/AC变换器自适应控制方法及其装置，其特征在于：包括LCL滤波电路、双向变换电路、电流控制环路、电压电流采样电路和电网阻抗在线测量模块、驱动电路、自适应控制模块、锁相环电路；所述双向变换电路连接LCL滤波电路，所述LCL滤波电路另一端联通电网；所述电压电流采样电路包括电流采样电路和电压采样电路，安装在LCL滤波电路与电网之间；所述电压采样电路连接锁相环电路，所述电流采样电路连接自适应控制模块；所述锁相环电路和自适应控制模块都连接电流控制环路；所述电网阻抗在线测量模块连接自适应控制模块；所述电流控制环路连接驱动电路；所述驱动电路另一端连接双向变换电路；所述整个装置通过电池连接双向变换电路进行供电。其中电网阻抗在线测量模块主要是利用网侧电压、电流信息实时测量电网阻抗，自适应控制模块主要是利用电网阻抗信息实时计算电压前馈函数，实现实时动态补偿电动汽车双向 DC/AC变换器的相位，提高电动汽车双向DC/AC变换器在弱电网下的自适应能力。

使用上述装置实现电动汽车单相双向DC/AC变换器自适应控制的方法，基本步骤如下：

(1)通过在电动汽车双向DC/AC变换器的电流控制环的给定输入处周期性地叠加一个 PRBS扰动序列，以测量电网阻抗，其具体过程如下：

步骤一，在电动汽车双向DC/AC变换器电流环控制器的电流给定输入端叠加周期性的 PRBS扰动信号。其中，PRBS扰动信号的频率设定为电网基频50Hz，比特位数N可自定义在5-11之间的任意整数，可以根据测量精度的要求自行选择；PRBS扰动信号的幅值选择电动汽车双向DC/AC变换器额定输出电流的10％以下；

步骤二，电动汽车双向DC/AC变换器电流给定输入端叠加PRBS扰动信号的周期为0.1s，即本装置在并网并进行电网阻抗测量过程中，会有0.1s的时长进行PRBS扰动信号注入，接着0.1s的时长停止PRBS扰动信号的注入，使得电动汽车双向DC/AC变换器会周期地处于含扰动与无扰动的两个状态；

步骤三，分别采样在含扰动与无扰动时PCC点的输出电压和输出电流，并进行离散傅里叶分析取得电压和电流的频域序列，对频域序列进行矢量差值运算，取得各频率下的PRBS激励扰动和利用求得该时段各频率下的电网阻抗值；步骤四，该装置内置程序将步骤二和步骤三周期进行，不断实时地更新测量得到的电网阻抗频率特性，完成电网阻抗的在线辨识。

(2)利用谐波线性化方法建立电动汽车双向DC/AC变换器的小信号阻抗模型Z_k，然后根据实时测量的电网阻抗Z_g计算Z_g/Z_k＝1处的截止频率及对应的相位裕度，若相位裕度满足要求(45°-60°)，则无需进行相角补偿操作；否则根据最小相位补偿原则，计算出需要补偿的相位角的大小。

(3)根据计算得到的所需补偿相位角的大小和截止频率，设计电压前馈补偿函数，以实现自适应动态补偿电动汽车双向DC/AC变换器阻抗模型在截止频率处的相位。

(4)采集电动汽车双向DC/AC变换器的网侧电流i_g和并网点PCC电压u₀，网侧电流 i_g经过锁相环之后与给定电流i_ref相减，再经过控制环G_i(s)后得到信号u_ic，信号u_ic再与并网口电压u₀经过电压前馈参数K_f(s)之后形成的电压信号u_f相加减，相加减之后得到的载波信号e，载波信号e再与三角波比较得到双向变换桥的SPWM开关信号，从而形成闭环控制，动态补偿电动汽车双向DC/AC变换器电流控制环的相位裕度。

本发明所提出的基于自适应电压前馈参数计算方法具有计算过程相对简单的特点，对双向并网装置的逆变过程和整流过程均有效、并且还考虑了锁相环的对变换器稳定性的影响。

其中，步骤(2)中所提到的前馈补偿函数的参数计算方法如下：

根据超前补偿原则，首先假定相位补偿函数为：

则补偿函数的相频函数为:

当时，可求出最大相位补偿时的频率ω_m

则最大相位补偿角为：

为了不改变最大相位补偿点处的阻抗幅值则令|G_c(ω_m)|＝1，则可求出k为：

采用谐波线性化方法，逆变过程输出阻抗和整流过程输入阻抗推导过程为：

逆变过程：

整流过程：

根据(6)、(7)、(8)、(9)可得出电动汽车双向DC/AC变换器含锁相环的阻抗模型为：

进一步推导可得到，电动汽车双向DC/AC变换器加入电压前馈后的阻抗模型为：

公式(11)中的H_v的取值决定了电动汽车双向DC/AC变换器工作在逆变状态还是整流状态，若H_v＞0则工作在整流状态，H_v＜0工作在逆变状态。

假定：

根据加入电压前馈后的阻抗模型等于加入电压前馈前的阻抗模型与补偿函数的乘积，可求出电压前馈函数K_f(s)为：

通过进一步整理可得到(13)

利用式子(3)(4)、(5)、(13)就可以计算出电动汽车双向DC/AC变换器电压前馈函数。

本发明的有益效果：

(1)现有装置中电压前馈相位补偿函数是依据特定条件而设定的，当装置电路拓扑结构变化时，其电压前馈相位补偿函数将不再符合要求，装置不具有普遍性；而本发明较为详细的介绍了装置中电压前馈相位补偿函数推导过程，可在装置电路结构发生变化时，按照本发明相对简单的推导方法重新推导电压前馈相位补偿函数，因此本发明相对于现有装置更具有适用性和实用性。

(2)现有电动汽车车载变换器没有考虑电网阻抗对其稳定性的影响，没有在线电网阻抗测量的功能，而本发明利用电动汽车车载变换器的软硬件资源在线测量并网点PCC处的电网阻抗，并根据电网参数的变化动态调整电流环控制参数，适应电网的变化，避免出现谐波振荡。

(3)相比较于现有技术，本发明考虑了锁相环对电动汽双向DC/AC变换器稳定性的影响，得到的阻抗模型更加精确。

(4)现有的并网逆变器建模和稳定分析技术没有针对电动汽车的并网逆变器和双向 DC/AC变换器，本发明则针对单相电动汽双向DC/AC变换器的电路特点，建立其小信号阻抗模型，并同时确保整流过程和逆变过程的稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例逆变过程基于电压前馈的相位补偿控制策略实施框图；

图2为本实施例整流过程基于电压前馈的相位补偿控制策略实施框图；

图3为本实施例电动汽车双向AC/DC变换器组成结构框图；

图4为本实施例电动汽车双向DC/AC变换器逆变过程控制流程图；

图5为本实施例电动汽车双向DC/AC变换器整流过程控制流程图；

图6为本实施例电动汽车双向DC/AC变换器装置自适应过程图；

图7为本实施例逆变过程输出阻抗与电网阻抗波特图；

图8为本实施例整流过程输入阻抗与电网阻抗波特图；

图9为本实施例逆变过程输出电压电流变化图；其中，图(a)为未加电压前馈的输出电压电流变化图，图(b)为加入电压前馈的输出电压电流变化图；

图10为本实施例整流过程输入电压电流变化图；其中，图(a)为未加电压前馈的输出电压电流变化图，图(b)为加入电压前馈的输出电压电流变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

图1、图2分别为电动汽车双向DC/AC变换器逆变过程和整流过程基于电压前馈的相位补偿控制策略实施框图，其中滤波器由电感L₁、L₂、电容C_f和阻尼电阻R_d构成，电网由理想的交流电源u_g、电感L_g和电阻R_g串联等效，G_i(s)为电流控制环路传递函数，G_in为PWM调制的输入电压到变换电路输出电压的传递函数，i_L为流过L₁的电流，i_C为流过滤波电容的电流，i_g为并网电流，i_ref为给定(参考)电流，U_in为电动汽车电池电压，U_n为变换电路的输出电压。其具体工作过程为：首先利用在电流给定处叠加PRBS序列，实时测量电网阻抗；然后计算出Z_g/Z_k的截止频率、相位裕度，并由此得出需在截止频率处对电动汽车双向DC/AC变换器阻抗补偿的相位大小，最后依据公式(3)(4)、(5)、(13)计算出电压前馈函数，与电流环控制信号叠加在一起生成SPWM模块的控制信号，最终实现对电动汽车双向DC/AC变换器的相位补偿，提高其在电网阻抗增大时的自适应能力。

图3为电动汽车双向DC/AC变换器硬件实现系统框图，包括LCL滤波电路、双向变换电路、电流控制环路、电压电流采样电路和电网阻抗在线测量模块、驱动电路、自适应控制模块、锁相环电路；所述双向变换电路连接LCL滤波电路，所述LCL滤波电路另一端联通电网；所述电压电流采样电路包括电流采样电路和电压采样电路，安装在LCL滤波电路与电网之间；所述电压采样电路连接锁相环电路，所述电流采样电路连接自适应控制模块；所述锁相环电路和自适应控制模块都连接电流控制环路；所述电网阻抗在线测量模块连接自适应控制模块；所述电流控制环路连接驱动电路；所述驱动电路另一端连接双向变换电路；所述整个装置通过电池连接双向变换电路进行供电。其中电网阻抗在线测量模块主要是利用网侧电压、电流信息实时测量电网阻抗，自适应控制模块主要是利用电网阻抗信息实时计算电压前馈函数，实现实时动态补偿电动汽车双向DC/AC变换器的相位，提高电动汽车双向DC/AC变换器在弱电网下的自适应能力。

图4、图5分别为电动汽车双向DC/AC变换器整流过程和逆变过程控制框图，本申请一种基于在线电网阻抗的电动汽车单相双向DC/AC变换器自适应控制方法及其装置，采用的是将并网口电压经过前馈环节K_f(s)加到电流环的输出。

为实现电压前馈自适应，前馈函数设计过程如下：

根据超前补偿原则，首先假定相位补偿函数为：

则补偿函数的相频函数为:

当时，可求出最大相位补偿时的频率ω_m

则最大相位补偿角为：

为了不改变最大相位补偿处的阻抗幅值则令|G_c(ω_m)|＝1，则可求出k为：

根据图5、图6，可求出加入电压前馈控制策略后电动汽车双向DC/AC变换器的阻抗为:

公式(19)中的H_v的取值决定了电动汽车双向DC/AC变换器工作在逆变状态还是整流状态。

假定：

根据加入电压前馈后的阻抗模型等于加入电压前馈前的阻抗模型与补偿函数的乘积，可求出电压前馈函数K_f(s)为：

通过进一步整理可得到公式(16)

利用式子(16)、(17)、(18)、(21)就可以计算出电动汽车双向DC/AC变换器电压前馈补偿函数。

图6为具体实施过程流程图，首先通过在电流控制环的给定输入处周期性地叠加加入PRBS序列扰动，实时测量电网阻抗信息，然后计算电网阻抗与电动汽车双向DC/AC变换器阻抗比值的截止频率和相位裕度，判断是否符合稳定要求，若不满足要求，则计算出所需补偿相位的大小；再根据所需补偿相位裕度的大小计算出电压前馈补偿参数，最终生成SPWM信号，以实现稳定性控制。

图7、图8为加入电压前馈补偿前后电网阻抗与电动汽车双向DC/AC逆变过程和整流过程的阻抗曲线。其中，Z_O表示未加入电压前馈补偿时逆变过程的输出阻抗，Z′_O表示加入电压前馈时逆变过程的输出阻抗，其中Z_i′_nv、Z_i′_nv-k表示未加入和加入电压前馈补偿时的整流过程输入阻抗，Z_g表示电网阻抗，从图中可以看出加入电压前馈比未加入电压前馈的在 Z_g/Z′_O＝1和Z_g/Z_i′_nv-k＝1处相位裕度提高了30°，但其在Z_g/Z_O＝1和Z_g/Z_i′_nv-k＝1处幅值基本不变，稳定性大幅提高。

图9(a)为当电网阻抗为5mH时，由于电网阻抗与逆变过程之间的相互影响，造成电动汽车双向DC/AC变换器逆变过程输出电压电流不稳定，图9(b)为加入自适应电压前馈后，逆变过程输出阻抗相位裕度提高了30°，抑制了电网阻抗对逆变过程的影响，提高了稳定性。图10(a)为当电网阻抗为5mH时，由于其与整流过程之间的相互影响，造成电动汽车双向DC/AC变换器整流过程输入电压电流不稳定，图10(b)为加入自适应电压前馈后，整流过程输入阻抗相位裕度提高了30°，抑制了电网阻抗对整流过程的影响，提高了稳定性。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。