CN103199571B

CN103199571B - 一种参与电网调频的电动汽车自适应功率调节方法

Info

Publication number: CN103199571B
Application number: CN201210318212.5A
Authority: CN
Inventors: 杨洪明; 吴俊明; 刘保平; 赖明勇; 张党强
Original assignee: Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2012-09-01
Filing date: 2012-09-01
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2032-09-01
Also published as: CN103199571A

Abstract

本发明公开了一种参与电网调频的电动汽车自适应功率调节方法。该方法由频率跟踪环和功率控制环共同完成。频率跟踪环按照电动汽车电池的荷电状态，设置调节器、校正电路以及反馈电路的参数，依据过零检测单元测得的电网频率，获得电动汽车参与调频的有功功率增量，并将其作为功率控制环的参考功率。功率控制环依据参考功率，通过滞环比较器，得到功率开关信号，并结合电网侧三相交流电压经过clarke变换后在扇区选择器中对应的扇区，通过既定的开关表，驱动电动汽车的DC/AC逆变器，自动调节电动汽车的充/放电功率。本发明能够实时跟踪电网的频率信号，有效控制电动汽车的充/放电功率，使电动汽车具有参与电网调频服务的动态性能和自适应性。

Description

一种参与电网调频的电动汽车自适应功率调节方法

技术领域

本发明涉及一种综合考虑电动汽车电池安全与驾驶功能需求，通过实时跟踪电网频率，调节电动汽车充/放电功率的自适应功率调节方法，以实现电动汽车参与电网调频的功能。

背景技术

随着能源危机的日益严重和人们环境保护意识的增强，风能和太阳能等可再生能源越来越受到人们的关注。大量的风力发电和光伏发电接入电网，可以有效缓解电力供应的紧张局面，降低化石燃料的消耗，以及减少温室气体的排放。但由于风能和太阳能的间歇性和随机性，并网发电后会引起电网频率的波动。智能配电网中存在的大量地域分散的小容量电动汽车参与电网调频引起了人们的广泛关注。

电动汽车有充电和放电两种状态。当电动汽车电池处于充电状态时，将作为负荷从电网吸收电能；当电动汽车电池处于放电状态时，将作为电源反馈电能给电网。电网的频率波动来源于电网的有功功率不平衡，电动汽车通过调节充/放电功率来参与电网的频率调节服务。现有技术主要研发了电动汽车充电功率的控制方法。专利号200910245100.X“一种用于电动汽车车载充电和快速充电的控制方法”利用充电机和电池管理系统之间的通信，根据电池充电级别，调整充电电压和充电电流，从而完成电动汽车的充电控制。上述专利技术未涉及电动汽车放电功率的控制与调节，而且不具有快速跟踪电网频率以及自适应调节电动汽车充/放电功率的特性，从而无法实现电动汽车参与电网调频的功能。

因此，综合考虑电动汽车电池安全与驾驶功能需求，通过实时跟踪电网频率，调节电动汽车充/放电功率的自适应功率调节方法亟待研发。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种综合考虑电动汽车电池安全与驾驶功能需求，通过实时跟踪电网频率，调节电动汽车充/放电功率的自适应功率调节方法。

一种参与电网调频的电动汽车自适应功率调节方法由频率跟踪环和功率控制环共同完成，其中频率跟踪环包括过零检测单元、比较器、调节器、校正电路和反馈电路；功率控制环包括瞬时功率计算单元、clarke变换、扇区选择器、滞环比较器、开关表、比较器和乘法器。技术方案包括如下步骤：

电网侧A相交流电压信号经过零检测单元，得到电网的频率信号，并将其与工频信号比较求差，所得到的频率偏差信号作为频率跟踪环的输入信号；

根据电动汽车电池管理系统测得的荷电状态，实时设定频率跟踪环的调节器、校正电路以及反馈电路的参数；

频率偏差信号经过调节器、校正电路和反馈电路，得到电池电压增量，将其与电池电流相乘后，获得电动汽车参与调频的有功功率增量；

将有功功率增量与电动汽车当前的有功功率相加后，得到有功功率参考值，并按0.85的功率因素，设置无功功率参考值，将它们作为功率控制环的参考功率；

将电网侧三相电压、、和三相电流、、输入瞬时功率计算单元，得到电网侧电动汽车的瞬时有功功率p和瞬时无功功率q，并与参考功率、比较求差后，输入到滞环比较器，得到功率开关信号与；

电网侧三相电压、、经过clarke变换后，输入到扇区选择器选择扇区，根据扇区和功率开关信号、，查询既定的开关表，得到电动汽车DC/AC逆变器的开关器件状态、、，以驱动电动汽车的DC/AC逆变器。

所述的一种参与电网调频的电动汽车自适应功率调节方法，频率跟踪环通过调节器、校正电路和反馈电路，来实现实时快速的跟踪电网频率。频率跟踪环的控制原理如图2所示，其技术原理如下：

调节器为一个惯性环节，其传递函数。调节器参数根据电动汽车电池的荷电状态来设置，以综合考虑电动汽车的电池安全与驾驶功能需求，其取值为：

上式中，是最大电池增益，它等于最大电池功率除以允许的频率偏移；和是电动汽车充电状态下允许的电池荷电状态限制，和是电动汽车放电状态下允许的电池荷电状态限制，它们依据充/放电状态下电池安全参数设置，并且要高于电动汽车承担驾驶功能所需的电池荷电状态。

反馈电路设置为一个比例环节，其传递函数。根据终值定理，当频率偏差信号为单位阶跃时，电压增量的响应为：

当频率跟踪环处于稳态时，，即反馈电路参数。此时，频率跟踪环的闭环传递函数为：

上式中，阻尼比。根据工程设计经验，当阻尼比时，频率跟踪环具有较好的稳定性和频率跟踪性能。因此，校正电路参数。

所述的一种参与电网调频的电动汽车自适应功率调节方法，功率控制环通过瞬时功率计算单元、clarke变换、扇区选择器、滞环比较器、开关表、比较器和乘法器，来实现自适应调节电动汽车的充/放电功率，其技术原理如下：

电动汽车电池有功功率的调节基于补偿思想来设置。电池当前的有功功率为，有功功率增量，其中表示电池直流电压和直流电流，表示电池直流电压增量和直流电流增量。将电压增量分解为和，即，有功功率增量。用补偿由于电流增加而改变的有功功率，则。此时，有功功率增量。

基于有功功率增量，有功功率参考值。按0.85的功率因素，设置无功功率参考值，即。将作为功率控制环的参考功率。

根据电网侧三相电压、、和三相电流、、，计算瞬时有功功率和瞬时无功功率。基于参考功率、，获得电动汽车参与电网调频所需调节的有功功率值和无功功率值。将它们输入滞环比较器，得到功率开关信号、。与按照如下规则确定：

,

上式中，与分别为有功功率和无功功率滞环比较器的滞环带宽。

电网侧三相电压、、经过clarke变换后，得到两相静止坐标系下的电压和，电压幅角。电压幅角属于，将的空间分成12个扇区，如图3所示。由，确定电压幅角所属的扇区。

根据扇区和功率开关信号、，查询既定的开关表，得到电动汽车DC/AC逆变器的开关器件状态、、，以驱动电动汽车的DC/AC逆变器，其中、、取值如下：

，i=a，b，c

本发明的有益效果：本发明能够在满足电动汽车电池安全和驾驶功能需求的条件下，实时快速跟踪电网频率，调节电动汽车的充/放电功率，使电动汽车具有参与电网调频服务的动态性能和自适应性。大量参与电网调频的电动汽车采用这种功率调节方法，一方面使车主从调频服务中获得收益，另一方面将减少电网调频容量和备用容量的投资，从而产生巨大的经济效益。

附图说明

图1为一种参与电网调频的电动汽车自适应功率调节方法的控制原理框图

图2为一种参与电网调频的电动汽车自适应功率调节方法的频率跟踪环控制框图

图3为一种参与电网调频的电动汽车自适应功率调节方法的扇区划分图

图4为一种参与电网调频的电动汽车自适应功率调节方法的实现流程图

具体实施案例

某充电站的电动汽车通过DC/AC逆变器接入电网，参与电网调频，所配备的一种参与电网调频的电动汽车自适应功率调节方法如图1所示。一种参与电网调频的电动汽车自适应功率调节方法的实现流程如图4所示。

电网侧的A相交流电压信号经过零检测单元，得到电网的频率信号。电网频率信号与工频信号比较求差，得到频率偏差信号。当的绝对值小于10^-3Hz时，电动汽车以当前功率进行充/放电。在充电时，确保电池荷电状态低于；在放电时，确保电池荷电状态高于；否则电动汽车停止充/放电。

当电网频率高于工频信号，且频率偏差信号的绝对值大于10^-3Hz时，电动汽车参与电网调频，启动频率跟踪环。频率跟踪环的控制原理如图2所示。频率偏差信号经过调节器、反馈电路和校正电路后，得到一个正值的电压增量，并且获得正值的有功功率增量和无功功率增量。有功功率参考值和无功功率参考值增大。

基于增大的功率参考值、，功率控制环经过瞬时功率计算单元、clarke变换、扇区选择器和滞环比较器后，得到功率开关信号和扇区。扇区划分如图3所示。通过查询既定的开关表，确定DC/AC逆变器的开关器件状态、、，以驱动电动汽车DC/AC逆变器增大充电功率或者减小放电功率。

当电网频率低于工频信号，且频率偏差信号的绝对值大于10^-3Hz时，电动汽车参与电网调频，启动频率跟踪环。频率偏差信号经过调节器、反馈电路和校正电路后，得到一个负值的电压增量，并且获得负值的有功功率增量和无功功率增量。有功功率参考值和无功功率参考值减小。

基于减小的功率参考值、，功率控制环经过瞬时功率计算单元、clarke变换、扇区选择器和滞环比较器后，得到功率开关信号和扇区。通过查询既定的开关表，确定DC/AC逆变器的开关器件状态、、，以驱动电动汽车DC/AC逆变器减小充电功率或者增大放电功率。

Claims

1.一种参与电网调频的电动汽车自适应功率调节方法，其特征在于，包括：

电网侧A相交流电压信号u_a通过过零检测单元，得到电网的频率信号f，并将其与工频信号f₀比较求差，所得到的频率偏差信号Δf作为频率跟踪环的输入信号；

根据电动汽车电池管理系统测得的荷电状态，实时设定频率跟踪环中调节器、校正电路以及反馈电路的参数，调节器传递函数为校正电路传递函数为反馈电路传递函数为其中，参数T_b是电池功率调整的时间常数，k_b是电池增益，它根据电动汽车电池的荷电状态来设置，其取值为：

k_{b} = \{\begin{matrix} k_{\max} [1 - {(\frac{SOC - {SOC}_{low}}{{SOC}_{high} - {SOC}_{low}})}^{2}] & \overset{Δf > 0}{{SOC}_{low} \leq SOC \leq {SOC}_{high}} \\ k_{\max} [1 - {(\frac{SOC - {SOC}_{\max}}{{SOC}_{\min} - {SOC}_{\max}})}^{2}] & \overset{Δf < 0}{{SOC}_{\min} \leq SOC \leq {SOC}_{\max}} \end{matrix}

上式中，k_max是最大电池增益，它等于最大电池功率除以允许的频率偏移；SOC是电动汽车电池的荷电状态；SOC_high和SOC_low分别表示电动汽车充电状态下允许的电池荷电状态限制；SOC_max和SOC_min分别表示电动汽车放电状态下允许的电池荷电状态限制；

频率偏差信号Δf经过调节器、反馈电路和校正电路，得到电池电压增量Δv_s，将其与电池电流相乘后，获得电动汽车参与调频的有功功率增量Δp_v2g；

将有功功率增量Δp_v2g与电动汽车当前的有功功率p₀相加后，得到有功功率参考值p_ref，并按0.85的功率因素，设置无功功率参考值q_ref，将它们作为功率控制环的参考功率；

将电网侧三相电压u_a、u_b、u_c和三相电流i_a、i_b、i_c输入瞬时功率计算单元，得到电网侧电动汽车的瞬时有功功率p和瞬时无功功率q，并与参考功率p_ref、q_ref比较求差后，输入到滞环比较器，得到功率开关信号s_p与s_q；

电网侧三相电压u_a、u_b、u_c经过clarke变换后，输入到扇区选择器选择扇区θ_n，根据扇区θ_n和功率开关信号s_p、s_q，查询既定的开关表，得到电动汽车DC/AC逆变器的开关器件状态s_a、s_b、s_c，以驱动电动汽车的DC/AC逆变器。

2.根据权利要求1所述的一种参与电网调频的电动汽车自适应功率调节方法，其特征在于，电动汽车自适应功率调节由频率跟踪环和功率控制环共同完成，其中频率跟踪环包括过零检测单元、比较器、调节器、校正电路和反馈电路；功率控制环包括瞬时功率计算单元、clarke变换、扇区选择器、滞环比较器、开关表、比较器和乘法器。