基于mmc的规模化电动汽车集群系统及其控制方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及电动汽车集群领域，应用于大规模电动汽车充电站、电动汽车到电网 (Vehicle-t〇-grid，V2G)的实现等场合，具体地说是涉及一种基于MMC的规模化电动汽车集 群系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 因电动汽车(ElectricVehicle，EV)零污染的特点，预见未来十年电动汽车将大 规模发展。电动汽车大规模接入电网，将对传统电网带来一系列的负面影响，例如增加分布 式网络了峰值负荷，增加电网潮流不确定性，增加电网谐波污染，影响分布式发电的调度计 划。因此研究如何规模化集成EV，最大限度降低其对电网的影响;让EV在未来电网中充当储 能装置，为大电网提供稳定频率等辅助服务，也必将有很大的现实意义。
[0003] 为了充分利用集群电动汽车对智能电网的辅助服务作用，同时满足用户的用车需 求，需考虑硬件和软件两个方面。硬件方面需要一个高效、可集成大规模集群电动汽车的拓 扑结构;软件方面需要一个能量管理系统，实现电动汽车对电网充放电合理化管理。现有的 电动汽车高效集成拓扑一般根据电动汽车连接的母线不同分为三类:直流母线集成、交流 母线集成和交直流母线混合集成。其中一种方法是，电动汽车通过DC/DC变换器，并联集成 于直流母线上，这种方法可以集中控制利于协调，但是需要增加一个中央AC/DC控制器与电 网相连接，该结构在电动汽车充放电过程中实际上要经过两级功率变换，效率低;另一种方 法是，电动汽车通过AC/DC变换器在交流母线上并联连接的集成方式，这类方法易于系统扩 展，但是需要采取分散控制方法，不利于系统的协调控制。综上所述，这些拓扑及控制策略 主要关注于电动汽车的集成和电网的调度要求，鲜有考虑用户需求。当电动汽车大规模集 合成时，集群系统中的用户为满足自身需求可能会降低系统的辅助服务能力，甚至导致"峰 上加峰"的现象。
【发明内容】
[0004] 本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种基于MMC的规模化电动汽 车集群系统及其控制方法，实现个体电动车充放电功率差异化控制。控制对象是基于MMC的 规模化电动汽车集群系统，通过采集电动汽车接入基于MMC的规模化电动汽车集群系统时 的初始荷电状态S0CQij、用户设定停留时间tij和期望荷电状态SOCij，按照虚拟荷电状态V-SOCij排序确定各个电动汽车对应的载波信号，实现电汽车充放电功率按需分配的目的，并 保证MMC系统三相输出功率的平衡。
[0005] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
[0006] 本发明基于MMC的规模化电动汽车集群系统的特点是:三个相单元分别经过LC滤 波器连接到交流侧电网，所述相单元由上下两个桥臂单元构成，所述桥臂单元由一个电抗 器La、一个Η桥模块和η个相同的子模块串联组成;所述Η桥模块是由四个带有反并联二极管 的全控功率器件SHI、SH2、SH3、SH4和电容器C组成，其中全控功率器件SH1和全控功率器件 SH2的集电极相连接于直流电源正极，全控功率器件SH3和全控功率器件SH4的发射极相连 接于直流电源负极，全控功率器件SH1发射极与全控功率器件SH3集电极相连并连接在电容 器C的一端作为!1桥模块的正端子，全控功率器件SH2发射极与全控功率器件SH4集电极相连 并连接在电容器C的另一端作为Η桥模块的负端子;所述Η桥模块以全控功率器件的栅极接 受来自外部设备的驱动信号，实现通断;所述子模块是由带有反并联二极管的全控功率器 件S1、S2和一个电动汽车直流充电接口组成;其中，全控功率器件S1的集电极与电动汽车直 流充电接口的正极相连，全控功率器件S1的发射极与全控功率器件S2的集电极相连作为子 模块的正端子，全控功率器件S2的发射极与电动汽车直流充电接口的负极相连作为子模块 的负端子，全控功率器件S1和S2的栅极分别接受来自外部设备的外部驱动信号作为子模块 驱动信号，实现子模块通断;所述全控功率器件S1和S2的外部驱动信号互补;所述子模块的 工作方式为：
[0007] 控制所述全控功率器件S1为导通、全控功率器件S2为关断，电动汽车被接入桥臂 单元，实现电动汽车的投入;控制所述全控功率器件S1为关断、全控功率器件S2为导通，电 动汽车从桥臂单元被旁路，实现电动汽车的切除；
[0008] 通过控制每个桥臂单元中子模块的工作方式，可以控制电动汽车投入和切除的数 量，实现对桥臂单元输出电压的控制;所述子模块驱动信号是根据载波分配调制策略对每 个子模块进行SPWM调制获得。
[0009] 本发明基于MMC的规模化电动汽车集群系统的特点也在于:所述子模块驱动信号 是按如下方式根据载波分配调制策略对每个子模块进行SPWM调制获得：
[0010] (1)按如下方式获得各桥臂单元的调制波信号vrefa
[0011] 对所述规模化电动汽车集群系统的交流侧电网的并网电流iab。进行采样，根据 Park变换理论，将采样获得的并网电流iab。变换成以电网电压矢量定向的同步旋转坐标下 的直轴分量和交轴分量，所述直轴分量即为有功电流id，所述交轴分量即为无功电流iq;通 过锁相环PLL获得电网电压的矢量角P将所述有功电流。和无功电流iq分别与设定的有功 电流给定值idrrf和无功电流给定值iqrrf进行比较，得到的差值分别经PI调节器形成变换器 输出电压直轴指令值Vdrrf和交轴指令值Vqrrf，其中，有功电流给定值idrrf由功率外环获得， 为实现单位功率因数将无功电流给定值iqrrf设置为零;所述基于MMC的规模化电动汽车集 群系统采用载波分配调制策略进行SPWM控制，将所述电压直轴指令值Vdrrf和交轴指令值 Vqrrf经过反PARK变换，得到各桥臂单元的调制波信号Vrrfa;
[0012] (2)在所述载波分配调制策略中采用按如下方式产生三角载波信号：
[0013] 设定所述规模化电动汽车集群系统中每个桥臂单元同时连接有η台电动汽车，贝lj 对应设置η个层叠的三角载波信号从底层到顶层依次为Cl，C2，C3，···，Cn，各三角载波信号 的峰峰值均为l/η，上层与下层相邻的三角波间隔l/η，各三角载波信号产生的SPTO1控制信 号与各电动汽车一一对应，用于控制对应电动汽车的充放电状态及充放电功率大小。
[0014] 本发明基于MMC的规模化电动汽车集群系统的控制方法的特点是:根据接入所述 基于MMC的规模化电动汽车集群系统中的电动汽车的初始荷电状态S0CQij、用户设定停留时 间tij以及期望荷电状态SOCij，在所述基于MMC的规模化电动汽车集群系统的充电/放电状 态下采用载波分配调制策略实现个体电动车充电/放电功率差异化控制。
[0015] 本发明基于MMC的规模化电动汽车集群系统的控制方法的特点也在于:所述个体 电动车放电功率差异化控制按如下步骤进行：
[0016] 步骤1、通过电动汽车的能量管理系统，获得各电动汽车的初始荷电状态S0CQij、用 户设定停留时间tij和期望荷电状态SOCij，按式（1)计算获得各电动汽车的虚拟荷电状态V-SOCij：
[0017] V_S0Cij=(SOCij-SOC〇ij)/tij (1)
[0018] 其中i，j表示第i桥臂第j台电动汽车，即SOCoij、tij、SOCij和V-SOCij分别表达为第i 桥臂第j台电动汽车的初始荷电状态、用户设定停留时间、期望荷电状态以及虚拟荷电状 态；
[0019] 步骤2、针对各电动汽车的虚拟荷电状态的大小定时进行升序排序，并按所述升序 排序设定虚拟荷电状态序号Dl. .Dn，在没有电动汽车退出时以5分钟为时间间隔定时进行 升序排序，在出现有电动汽车退出时随及进行升序排序;获得虚拟荷电状态序号D1、虚拟荷 电状态序号D2…虚拟荷电状态序号Dn的虚拟荷电状态序列；
[0020] 步骤3、当基于MMC的所述规模化电动汽车集群系统处于充电状态时，按如下方式 调整产生各电动车所在子模块驱动信号所对应的三角载波信号：
[0021] 将序号为Dl. .Dn的虚拟荷电状态与三角载波信号Cl，C2，C3，···，Cn-一对应；
[0022]以三角载波信号C1产生的控制信号作为与序号为Dn的虚拟荷电状态所对应的电 动汽车所在子模块的驱动信号；以三角载波信号C2产生的控制信号作为与序号为Dn-Ι的虚 拟荷电状态所对应的电动汽车所在子模块的驱动信号；以三角载波信号C3产生的控制信号 作为与序号为Dn-2的虚拟荷电状态所对应的电动汽车所在子模块的驱动信号；……；以三 角载波信号Cn产生的控制信号作为与序号为D1的虚拟荷电状态所对应的电动汽车所在子 模块的驱动信号；
[0023]当基于MMC的所述规模化电动汽车集群系统处于放电状态时，按如下方式调整产 生各电动车所在子模块驱动信号所对应的三角载波信号：
[0024] 将序号为Dl. .Dn的虚拟荷电状态和三角载波信号Cl，C2，C3，···，Cn-一对应，
[0025]以三角载波信号C1产生的控制信号作为与序号为D1的虚拟荷电状态所对应的电 动汽车所在子模块的驱动信号；以三角载