一种基于虚拟惯量的电动汽车充放电控制方法与流程

本发明涉及电动汽车充放电控制技术领域,具体涉及一种基于虚拟惯量的电动汽车充放电控制方法。

背景技术：

直流配电系统是未来城市配电系统新的发展方向，随着电动汽车的日益普及，将对直流配电网稳定性产生重大影响。随着电动汽车充放电技术的不断发展，电动汽车充放电方式也越来越多。目前，直流配电网中电动汽车电池的常规充电方法包括恒流充电方式、恒功率充电方式、恒压充电方式和恒流恒压充电方式。其中恒流充电、恒功率充电以及恒压充电方式就是保持其充电过程中分别保持充电电流、充电功率、充电电压恒定。恒流恒压充电方式综合了恒流和恒压充电两种充电方式，如图1所示，第一阶段中充电电流保持恒定，第二阶段中充电电压保持恒定，当充电电流下降到最小值时，或者接受到外部停止充电命令时，电动汽车电池终止充电。

电动汽车电池的常规放电方式包括恒流放电方式和恒功率放电方式。电动汽车采用的恒流放电方式时，保持恒定电流放电输出，并随时检测蓄电池的两端电压，当电池两端电压小于系统设定阈值或者电soc状态值小于系统设定值时，电动汽车的电池停止放电。电动汽车恒功率放电时，保持放电恒功率p恒定不变，因放电过程中电池的电压持续下降，所以恒功率放电中电流是持续上升的，当电池两端电压小于系统设定阈值时或者电soc状态值小于系统设定值时，电动汽车的电池停止放电。

随着直流配电网负荷不断增多，难免会产生一些扰动，现有的电动汽车常规充放电控制方法一般使用恒流、恒压和恒功率控制等常规功率控制，常规控制结构简单，易于实现，可以满足电池的充电要求，但是其控制效果较差。由于恒功率控制呈现负阻尼特性，会减弱系统的稳定性，而恒压控制阻尼处于临界状态，恒流控制的阻尼理论上大于零，本身不会激发失稳的现象，但由于恒压以及恒流控制系统具有一定的动态响应特性，控制参数的不同也会影响系统的稳定性。当直流配电系统结构较为复杂时，电能质量可能会超出要求。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于虚拟惯量的电动汽车充放电控制方法，能够在常规充放电方式的常规控制基础上进一步提高系统惯性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种基于虚拟惯量的电动汽车充放电控制方法，在电动汽车充放电控制过程中增加虚拟惯量作为直流量的补偿。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述电动汽车充放电控制方法包括：

获取输入信号；

将输入信号与参考值做差输出差值；

通过pi控制器对差值进行比例积分处理，同时pi控制器并联有虚拟惯量补偿函数引入虚拟惯量进行补充；

输出调制信号。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述电动汽车充放电控制过程包括：恒电流充放电控制过程、恒功率充放电控制过程或恒电压充放电控制过程。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述恒电流充放电控制过程为：

取流入电动汽车的直流电流为输入信号i；

将输入信号i与其参考值iref做差处理；

通过电流内环控制环节的pi控制器对差值进行比例积分处理，同时通过与电流内环控制环节的pi控制器并联的虚拟惯量补偿函数引入虚拟惯量gc进行补偿；

输出电动汽车斩波器的调制信号pm。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述恒电流充放电控制过程包括恒电流充电控制过程和恒电流放电控制过程。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述恒功率充放电控制过程为：

取流入电动汽车的有功功率为输入信号p；

输入信号p与其参考值pref做差处理；

通过功率外环控制环节的pi控制器对差值进行比例积分处理，同时通过与功率外环控制环节的pi控制器并联的虚拟惯量补偿函数引入虚拟惯量gc进行补偿；

输出电流内环直流电流参考值iref；

取流入电动汽车的直流电流为输入信号i；

将输入信号i与电流内环直流电流参考值iref做差处理；

通过电流内环控制环节的pi控制器对差值进行比例积分处理；

输出电动汽车斩波器的调制信号pm。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述恒功率充放电控制过程包括恒功率充电控制过程和恒功率放电控制过程。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述恒电压充放电控制过程为：

取电动汽车侧的直流电压为输入信号udc；

将输入信号udc与其参考值udcref做差处理；

通过直流电压外环控制环节的pi控制器对差值进行比例积分处理，同时通过与直流电压外环控制环节的pi控制器并联的虚拟惯量补偿函数引入虚拟惯量gc进行补偿；

输出电流内环直流电流参考值iref；

取流入电动汽车的直流电流为输入信号i；

将输入信号i与电流内环直流电流参考值iref做差处理；

通过电流内环控制环节的pi控制器对差值进行比例积分处理；

输出电动汽车斩波器的调制信号pm。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述恒电压充放电控制过程包括恒电压充电控制过程和恒电压放电控制过程。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述虚拟惯量gc的补偿函数为：

式中，kc为阻尼参数，hc为惯性时间常数,s为拉普拉斯算子。

本发明实施例的技术方案可以具有的有益效果如下：

本发明实施例的技术方案是在电动汽车充放电控制过程中增加虚拟惯量作为直流量的补偿，通过在常规控制的外环中引入了虚拟惯量补偿函数，增大了系统惯性，由于虚拟惯量控制提供了高阻尼和大惯性，致使虚拟惯量充放电方式下直流母线电压振荡逐渐衰减直至稳定，相对于引入虚拟惯量补偿函数之前的常规控制方式具有更强的阻尼能力，能够有效提高系统稳定性，在常规充放电方式的常规控制基础上进一步提高系统惯性，即当直流配电网受到扰动时，防止电压过快变化而造成电网的不稳定，进一步满足其他直流负荷用户的供电质量需求。

引入虚拟惯量后，本发明实施例的技术方案的恒流模式下保持稳态时充放电电流恒定不变、恒功率模式下保持稳态时充放电有功功率恒定不变、恒压模式下保持稳态时充放电电压恒定不变，系统具有更大的惯性，系统更加稳定。

附图说明

图1是传统恒流恒压充电方式的示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种基于虚拟惯量的电动汽车充放电控制方法的流程图；

图3是本发明的一种基于虚拟惯量的电动汽车恒电流控制结构框图；

图4是本发明的一种基于虚拟惯量的电动汽车恒压控制结构框图；

图5是本发明的一种基于虚拟惯量的电动汽车恒压控制结构框图；

图6是本发明的含电动汽车的直流配电系统仿真算例电路图；

图7是恒流、虚拟惯量恒流充电直流母线电压仿真图；

图8是恒压、虚拟惯量恒压充电直流母线电压仿真图；

图9是恒功率、虚拟惯量恒功率充电直流母线电压仿真图；

图10是恒流、虚拟惯量恒流放电直流母线电压仿真图；

图11是恒功率、虚拟惯量恒功率放电直流母线电压仿真图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

本发明实施例提供的一种基于虚拟惯量的电动汽车充放电控制方法，在电动汽车充放电控制过程中增加虚拟惯量作为直流量的补偿。由于恒功率控制呈现负阻尼特性，会减弱系统的稳定性，而恒压控制阻尼处于临界状态，恒流控制的阻尼理论上大于零，本身不会激发失稳的现象，但由于恒压以及恒流控制系统具有一定的动态响应特性，控制参数的不同也会影响系统的稳定性。本发明可在不改变其他控制参数的基础上，在外环控制里引入虚拟惯量环节来增大系统惯性，达到增强直流配电系统稳定性的目的。

图2是根据一示例性实施例示出的一种基于虚拟惯量的电动汽车充放电控制方法的流程图。如图2所述，本发明实施例提供的一种基于虚拟惯量的电动汽车充放电控制方法，包括：

获取输入信号；

将输入信号与参考值做差输出差值；

通过pi控制器对差值进行比例积分处理，同时pi控制器并联有虚拟惯量补偿函数引入虚拟惯量进行补充；

输出调制信号。

在一种可能的实现方式中，所述电动汽车充放电控制过程包括：恒电流充放电控制过程、恒功率充放电控制过程或恒电压充放电控制过程。

在一种可能的实现方式中，所述恒电流充放电控制过程为：

取流入电动汽车的直流电流为输入信号i；

将输入信号i与其参考值iref做差处理；

通过电流内环控制环节的pi控制器对差值进行比例积分处理，同时通过与电流内环控制环节的pi控制器并联的虚拟惯量补偿函数引入虚拟惯量gc进行补偿；

输出电动汽车斩波器的调制信号pm。

在一种可能的实现方式中，所述恒电流充放电控制过程包括恒电流充电控制过程和恒电流放电控制过程。

在一种可能的实现方式中，所述恒功率充放电控制过程为：

取流入电动汽车的有功功率为输入信号p；

输入信号p与其参考值pref做差处理；

通过功率外环控制环节的pi控制器对差值进行比例积分处理，同时通过与功率外环控制环节的pi控制器并联的虚拟惯量补偿函数引入虚拟惯量gc进行补偿；

输出电流内环直流电流参考值iref；

取流入电动汽车的直流电流为输入信号i；

将输入信号i与电流内环直流电流参考值iref做差处理；

通过电流内环控制环节的pi控制器对差值进行比例积分处理；

输出电动汽车斩波器的调制信号pm。

在一种可能的实现方式中，所述恒功率充放电控制过程包括恒功率充电控制过程和恒功率放电控制过程。

在一种可能的实现方式中，所述恒电压充放电控制过程为：

取电动汽车侧的直流电压为输入信号udc；

将输入信号udc与其参考值udcref做差处理；

通过直流电压外环控制环节的pi控制器对差值进行比例积分处理，同时通过与直流电压外环控制环节的pi控制器并联的虚拟惯量补偿函数引入虚拟惯量gc进行补偿；

输出电流内环直流电流参考值iref；

取流入电动汽车的直流电流为输入信号i；

将输入信号i与电流内环直流电流参考值iref做差处理；

通过电流内环控制环节的pi控制器对差值进行比例积分处理；

输出电动汽车斩波器的调制信号pm。

在一种可能的实现方式中，所述恒电压充放电控制过程包括恒电压充电控制过程和恒电压放电控制过程。

在一种可能的实现方式中，所述虚拟惯量gc的补偿函数为：

式中，kc为阻尼参数，hc为惯性时间常数,s为拉普拉斯算子。

随着直流配电网负荷不断增多，难免会产生一些扰动，为了在常规充放电方式的常规控制基础上进一步提高系统惯性，即当直流配电网受到扰动时，防止电压过快变化而造成电网的不稳定，提高系统稳定性。本发明在常规控制的外环中引入了虚拟惯量补偿函数，引入了直流量的补偿，增大了系统惯性。所采用的虚拟惯量补偿函数形式为：

为了进一步对本发明的技术方案进行验证，本发明提及的虚拟惯量控制是基于常规控制之上的，因此下面将分别介绍基于虚拟惯量的电动汽车恒流、恒功率充放电策略，以及基于虚拟惯量的电动汽车恒压充电策略。

1、基于虚拟惯量的电动汽车恒流充放电策略

电动汽车恒流充放电策略可使电动汽车充放电电流不变，加入虚拟惯量后必须在保持充放电电流保持不变的前提下，增强系统稳定性。基于虚拟惯量的电动汽车恒流控制结构框图如图3所示。图3中，i和iref为电流内环直流电流信号及其参考值，pm为斩波器的调制信号，kpi+kii/s为电流内环控制环节的pi控制器，kpi和kii依次分别为电流内环pi控制的比例系数和积分系数。

在常规恒流控制中，取流入电动汽车的直流电流为输入信号i，输入信号i与其参考值iref做差后经过比例积分环节kpi+kii/s，最终输出电动汽车斩波器的调制信号pm。通过在pi控制器kpi+kii/s处并联虚拟惯量补偿函数的形式引入虚拟惯量gc，由于测量值还是取的流入电动汽车的直流电流，故还能使其充放电过程中充放电电流不变。

2、基于虚拟惯量的电动汽车恒功率充放电策略

电动汽车恒功率充放电策略可使电动汽车充放电功率不变，加入虚拟惯量后必须在保持充放电功率保持不变的前提下，增强系统稳定性。基于虚拟惯量的电动汽车恒功率控制结构框图如图4所示。图4中，p和pref为功率外环有功功率信号及其参考值，kpp+kip/s为功率外环控制环节的pi控制器，kpp和kip依次分别为有功功率外环pi控制的比例系数和积分系数。其他变量与图3中含义相同。

在常规恒功率控制中，取流入电动汽车的有功功率为输入信号p，输入信号p与其参考值pref做差后经过功率外环比例积分环节kpp+kip/s，输出电流内环直流电流参考值iref，经过常规电流内环控制，输出电动汽车斩波器调制信号pm。通过在功率外环pi控制器kpp+kip/s处并联虚拟惯量补偿函数的形式引入虚拟惯量gc，由于测量值还是取的流入电动汽车的有功功率，故还能使其充放电过程中充放电功率不变。

3、基于虚拟惯量的电动汽车恒压放电策略

电动汽车恒压放电策略可使电动汽车放电电压不变，加入虚拟惯量后必须在保持放电电压保持不变的前提下，增强系统稳定性。基于虚拟惯量的电动汽车恒压控制结构框图如图5所示。图5中，udc和udcref为直流电压外环直流电压信号及其参考值，kpv+kiv/s为直流电压外环控制环节的pi控制器，kpv和kiv依次分别为电压外环pi控制的比例系数和积分系数。其他变量与图3中含义相同。

在常规恒压控制中，取电动汽车侧的直流电压为输入信号udc，输入信号udc与其参考值udcref做差后经过直流电压外环比例积分环节kpv+kiv/s，输出电流内环直流电流参考值iref，在通过常规电流内环控制，输出电动汽车斩波器调制信号pm。通过在直流电压外环pi控制器kpv+kiv/s处并联虚拟惯量补偿函数的形式引入虚拟惯量，由于测量值还是取的电动汽车侧直流电压，故还能使其充放电过程中充放电电压不变。

4、仿真验证

为了比较引入虚拟惯量补偿函数前后系统稳定性差异，验证本发明的有效性，在digsilent仿真软件中搭建了典型的含电动汽车的直流配电系统仿真算例，如图6所示。算例交流电压等级为0.22kv，公共直流母线额定电压为0.4kv。

由于直流电压是衡量直流配电系统稳定性的重要指标，故选取了公共直流母线作为衡量系统稳定性的指标，对引入虚拟惯量补偿函数前后系统稳定性差异进行了对比验证。

1)充电仿真验证

恒流充电方式、恒压充电方式和恒功率充电方式与其分别对应的虚拟惯量充电方式直流母线电压波形分别如图7、图8和图9所示。

由图7、图8和图9可知，三种常规充电方式下直流母线电压振荡发散，系统失稳；由于虚拟惯量控制提供了高阻尼和大惯性，致使虚拟惯量充电方式下直流母线电压振荡逐渐衰减直至稳定。

2)放电仿真验证

恒流放电方式和恒功率放电方式与其分别对应的虚拟惯量放电方式直流母线电压波形如如图10和图11所示。

由图10和图11可知，两种常规放电方式下直流母线电压振荡发散，系统失稳；由于虚拟惯量控制提供了高阻尼和大惯性，致使虚拟惯量放电方式下直流母线电压振荡逐渐衰减直至稳定。

综合分析以上仿真验证，本发明提出的在常规控制基础上引入虚拟惯量的控制方式比引入之前的常规控制方式具有更强的阻尼能力，能够有效提高系统稳定性。

针对含电动汽车的直流配电系统，本发明提出了一种基于虚拟惯量的电动汽车充(放)控制方式，在不改变直流配电网络电气参数和其他控制参数的前提下，使得含电动汽车直流配电系统惯性进一步增大，稳定性增强，进一步满足其他直流负荷用户的供电质量需求。与现有技术相比较，本发明具有以下特点：

1、恒流模式下，引入虚拟惯量后，依旧保持稳态时充放电电流恒定不变；系统具有更大的惯性，系统更加稳定。

2、恒功率模式下，引入虚拟惯量后，仍然保持稳态时充放电有功功率恒定不变；系统具有更大的惯性，系统更加稳定。

3、恒压模式下，引入虚拟惯量后，依旧保持稳态时充放电电压恒定不变；系统具有更大的惯性，系统更加稳定。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的修改或变形。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。