车集群系统，其特征是: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 H桥模块和η个相同的子模块串联组成;所述H桥模块是由四个带有反并联二极管的全控功 率器件SHl、SH2、SH3、SH4和电容器C组成，其中全控功率器件SHl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SHl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H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H桥模块的负端子;所述H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Sl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Sl和S2的外部驱动信号互补;所述子模块的工作方 式为： 控制所述全控功率器件Sl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Sl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； 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SPffM调制获得。2. 根据权利要求1所述的基于MMC的规模化电动汽车集群系统，其特征是: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SPffM调制获得： (1) 按如下方式获得各桥臂单元的调制波信号Vrrfa 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i ab。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F将所述有功电流i d和无功电流iq分别与设定的有功电流给 定值idref和无功电流给定值iqref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 iqre3f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SP丽控制，将所述电压直轴指令值Vdref和交轴指令值V qref经过 反PARK变换，得到各桥臂单元的调制波信号Vrrfa; (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： 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，则对应 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1/n，上层与下层相邻的三角波间隔1/n，各三角载波信号产生的SPffM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。3. -种权利要求1所述基于MMC的规模化电动汽车集群系统的控制方法，其特征是: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SOCoij、用户 设定停留时间tij以及期望荷电状态SOCi j，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。4. 根据权利要求3所述的基于MMC的规模化电动汽车集群系统的控制方法，其特征是所 述个体电动车放电功率差异化控制按如下步骤进行： 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SOCoi j、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 ： V_S0Cij= (SOCij-SOCoij)/tij (I) 其中i，j表示第i桥臂第j台电动汽车，即SOCoij JijJOCij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； 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； 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： 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； 以三角载波信号Cl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-I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Dl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； 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： 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， 以三角载波信号Cl产生的控制信号作为与序号为Dl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D2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D3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。5. 根据权利要求3所述的基于MMC的规模化电动汽车集群系统的控制方法，按如下方法 控制电动汽车所在子模块的投入或切除:若调制波信号大于载波信号，对应于所述载波信 号的电动汽车子模块被投入;否则电动汽车所在子模块被切除。6. 根据权利要求3所述的基于MMC的规模化电动汽车集群系统的控制方法，其特征是： 通过设置桥臂单元冗余子模块数量增加所述基于MMC的规模化电动汽车集群系统的冗余度 和可靠性，保证所述系统的三相功率平衡;所述冗余子模块按如下方法进行设置:根据电动 汽车直流充电接口电压和交流系统电压等级按如下式(2)计算获得所述桥臂单元最少充电 接口数q:式(2)中，Ug表示检测获得的交流侧电网线电压幅值，Ue3v表示设定的电动汽车充电接口 额定电压，m表示调制度，m的取值范围为O~1，可以取为0.8;设置桥臂单元冗余子模块数量 的冗余度为10%，则桥臂单元子模块数量X为:x = qX (1+10%)。7.根据权利要求3所述的基于MMC的规模化电动汽车集群系统的控制方法，其特征是： 所述H桥模块的控制方式为： 令!1桥模块的调制波信号为Vhref，则Vhref = Vrefa- Σ Vev 其中：为检测获得的桥臂单元中有电动汽车投入的所有子模块的电压之和;所述H 桥模块的载波信号为三角波； 若H桥模块调制波信号大于H桥模块载波信号，则H桥模块中全控功率开关SHl和全控功 率开关SH3导通，全控功率开关SH2和全控功率开关SH4关断； 若H桥模块调制波信号小于H模块桥载波信号，则H桥模块中全控功率开关SH2和全控功 率开关SH4导通，全控功率开关SHl和全控功率开关SH3关断。
【专利摘要】本发明公开了一种基于MMC的规模化电动汽车集群系统及其控制方法，其特征是三个由电抗器、H桥模块和子模块构成的相单元经过LC滤波器连接于交流电网作为基于MMC的规模化电动汽车集群系统的拓扑结构，通过各电动汽车初始荷电状态、用户设定停留时间和期望荷电状态计算虚拟荷电状态，按照虚拟荷电状态排序确定各载波信号产生的驱动信号驱动对应的电动汽车所在子模块，实现连接于子模块的电动汽车充放电功率按用户需求差异化控制，并且在电网侧实现三相功率平衡和单位功率因数控制。本发明集成程度高、模块化程度高、效率高、谐波畸变小、开关损耗低，容错能力强、各相桥臂内子模块可实现独立控制。
【IPC分类】B60L11/18, H02J3/26, H02J3/14, H02J7/00
【公开号】CN105449684
【申请号】CN201510999100
【发明人】茆美琴, 陶庭欢, 张榴晨
【申请人】合肥工业大学
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年12月24日