CN104836292B

CN104836292B - 一种考虑电网频率安全的电动汽车充电桩控制系统及方法

Info

Publication number: CN104836292B
Application number: CN201510233497.6A
Authority: CN
Inventors: 靳宗帅; 张恒旭; 范英乐
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2015-05-08
Filing date: 2015-05-08
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2035-05-08
Also published as: US10308127B2; CN104836292A; WO2016180271A1; US20180147951A1

Abstract

本发明公开了一种考虑电网频率安全的电动汽车充电桩控制系统及方法，包括：电网单相电输入端口、电压互感器、AD转换芯片、第一数据处理器、第二数据处理器依次连接；第一数据处理器还与数据实时显示装置和GPS/北斗信号接收器分别连接；第二数据处理器与电动汽车充电桩和电动汽车电池组分别通信；第二数据处理器还与人机交互装置连接。本发明有益效果：能够实时监测电力系统的频率；电力系统故障后频率较为严重时，切除部分不重要的电动汽车充电负荷，减小系统有功功率缺额；有效防止低频减载的发生；缩短故障后电力系统频率的恢复时间。

Description

一种考虑电网频率安全的电动汽车充电桩控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电动汽车充电技术领域，尤其涉及一种考虑电网频率安全的电动汽车充电桩控制系统及方法。

背景技术

为保证电力系统的安全稳定，我国的电网建设是按三道防线进行规划和配置的，电网安全运行也按三道防线调度管理。

近年来，我国电力系统迅猛发展，风力发电、光伏发电等间歇性可再生能源发电的大量接入增加了电网特性的复杂程度，它们基本是不可调度的，相当于随机的扰动源，对电网的可靠性运行造成很大影响，增大了电网调度的难度。随着智能电网的建设，用户对供电质量的要求也在提高。按照传统的三道防线对电网进行规划建设已经无法很好地满足建设要求。特别是第三道防线中的低频减载控制措施不仅严重影响用户的供电，还可能会切除部分重要负荷，造成大的经济损失和安全事故。应尽量避免低频减载的发生。

低频减载：为防止电力系统出现频率崩溃，当电力系统因发电和用电负荷的需求之间出现缺额而引起频率下降时，按照事先整定的动作频率值，依次将系统中预先安排好的一部分次要负荷切除，从而使系统有功功率重新趋于平衡，频率得到回升。在我国，低频减载动作一般分为5～6轮，第一轮的起动频率整定在48.5～49.1Hz，最后一轮为47.0～47.5Hz。

为了避免没有必要的低频减载的发生，可以在频率下降程度使低频减载动作之前先切除部分不重要的负荷，减小有功功率缺额，提高系统的频率稳定性，避免低频减载的发生，将经济损失降到最低。

电动汽车充电负荷是一种较为理想的可控负荷，当故障后电网频率降低较为严重时，可以切除部分电动汽车充电负荷，使它们暂时停止充电，等频率恢复后再继续充电。这样既可有效防止低频减载的发生，又对电动汽车的充电不会造成太大影响。

目前，电动汽车充电模式分三种，慢速充电、快速充电、更换电池。电动汽车充电桩分两种，交流充电桩、直流充电桩，交流充电桩为电动汽车提供慢速充电，直流充电桩为电动汽车提供快速充电，以直流充电桩应用最广。而且直流充电桩的输出功率是可调的，可以做到多级功率输出，且各级功率几乎可以做到在线无缝切换。

由此可见，对电网而言，充电桩是一种可控负载，它的负载功率可大可小，减小充电桩的输出功率就相当于切除了部分充电负载，就效果而言，与低频减载如出一辙，但是对用户的影响却很小，且不影响重要负载的正常运行。

所以，实时监测电网频率的变化，当发现频率降低较为严重时，为避免低频减载的动作，可以减小充电桩的输出功率甚至断开充电，从而减小电力系统的功率差额，给时间常数较大的电力系统调节环节赢得调节时间，提高电力系统的频率稳定性。而且在线充电电动汽车越多，可调充电负载就越大，上述调节效果越明显。

由此可见设计一种考虑电网频率安全的电动汽车充电桩控制系统是十分必要的。

发明内容

本发明的目的就是解决上述问题，提供一种考虑电网频率安全的电动汽车充电桩控制系统及方法，该系统及方法能够根据电网频率变化情况，在线自主决定电动汽车充电桩的输出功率状态，在多级充电功率状态之间切换；提高了故障后电网的频率安全性，减轻故障对电网的冲击。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案，包括：

一种考虑电网频率安全的电动汽车充电桩控制系统，包括：电网单相电输入端口、电压互感器、AD转换芯片、第一数据处理器、第二数据处理器、数据实时显示装置、GPS/北斗信号接收器以及人机交互装置；

所述电网单相电输入端口、电压互感器、AD转换芯片、第一数据处理器、第二数据处理器依次连接；所述第一数据处理器还与数据实时显示装置和GPS/北斗信号接收器分别连接；所述第二数据处理器与电动汽车充电桩和电动汽车电池组分别通信；所述第二数据处理器还与人机交互装置连接。

所述第一数据处理器的运行包括：主程序、秒中断和采样中断；主程序负责计算频率并将频率数据由串口发送给第二数据处理器；秒中断负责处理GPS/北斗时间信号，计算时间；采样中断负责更新采样序列，并触发频率计算。

所述第二数据处理器的运行包括：参数设置中断程序和串口中断程序；

参数设置中断程序由人机交互装置触发，触发后参数设置中断程序对人机交互装置发送来的参数数据进行读取，然后更改相应的充电控制系统参数；串口中断程序由第一数据处理器触发，出发后串口中断程序读取第一数据处理器发送来的频率数据和时间信息，然后读取电动汽车电池组电量数据，最后根据充电桩输出功率控制策略，向充电桩发出功率控制信号，实时调整充电桩的输出功率。

一种考虑电网频率安全的电动汽车充电桩控制系统的控制方法，包括：

(1)AD转换芯片将电网交流电压信号转换成数字信号并将数字信号存储在芯片内，完成对电压的采样；

(2)第一数据处理器读取电压的采样数据以及当前的地理信息数据，基于电压的采样数据计算电压的频率并显示；

(3)将所述频率数据与当前地理信息数据进行叠加后发送给第二数据处理器；

(4)第二数据处理器读取第一数据处理器的频率数据、地理信息数据以及电动汽车电池组电量数据，根据充电桩输出功率控制策略，向充电桩发出功率控制信号，实时调整充电桩的输出功率。

所述步骤(2)中基于电压的采样数据计算电压频率的具体方法为：

(2-1)假设频率更新次数为cal_num且cal_num初始值为0，当前频率估计值为f_old且f_old初始值为50Hz；该频率下的每周波采样个数为N，N为正整数；

(2-2)采样序列为V[M+N]，M+N为采样序列长度，M为正整数；

(2-3)运用递推离散傅里叶相量分析法计算出相位序列θ[M]，M为相位序列长度；

(2-4)根据相位序列计算相位差序列Δθ[M],M为相位序列长度；设相位差为定常二次方程：Δθ(k)＝a₀+a₁k+a₂k²，a₀、a₁、a₂为常数系数，k＝0，1，2，...，M；则相位差序列可表示为矩阵形式：

[\begin{matrix} {Δθ}_{0} \\ {Δθ}_{1} \\ . . . \\ . . . \\ {Δθ}_{M - 1} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 & 0 & 0 \\ 0 & 2 - 1 & 2^{2} - 1 \\ . . . & . . . & . . . \\ . . . & . . . & . . . \\ 0 & (M - 1) - 1 & {(M - 1)}^{2} - 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} a_{0} \\ a_{1} \\ a_{2} \end{matrix}];

简写为Δθ＝Xa，计算得到系数矩阵a＝[X^TX]^-1X^TΔθ，其中，

a = [\begin{matrix} a_{0} \\ a_{1} \\ a_{2} \end{matrix}];

(2-5)计算频率偏差Δf，并更新频率估计值为f_new＝f_old+Δf；

(2-6)令f_old＝f_new；频率更新次数加1，即cal_num＝cal_num+1；如果cal_num等于2，则结束频率计算，计算结果为最新频率估计值f_new，如果cal_num小于2，则进入步骤(2-7)；

(2-7)以最新频率估计值f_new为基础，对采样序列进行波形的自适应重构，得到最新频率估计值f_new对应的采样序列为V[M+N]；

(2-8)返回步骤(2-2)继续计算。

所述步骤(2-7)中对采样序列进行波形的自适应重构的具体方法为：

(2-7-1)设α是新频率f_new下两个采样点的相位间隔，计算变量

oriInterval =

\frac{1}{N \times f_{old}}; newInterval = \frac{1}{N \times f_{new}};

其中，f_new是最新频率估计值，f_old是前一频率估计值，N为每周波采样个数；

(2-7-2)设当前的采样序列为V_old，要计算的新的采样序列为V_new；设i＝0；

(2-7-3)计算相位间隔系数

x = i \times \frac{newInterval}{oriInterval} - resampleIndex;

其中，resampleIndex为取值不大于的最大整数；

(2-7-4)设z₁＝V_old(resampleIndex)，z₂＝V_old(resampleIndex+1)，即z₁和z₂分别是采样序列V_old的第resampleIndex和resampleIndex+1个元素；

(2-7-5)计算V_new的第i个元素值，

V_{new} (i) = z_{1} \cos xα + (z_{2} - z_{1} \cos α) \frac{\sin xα}{\sin α};

(2-7-6)令i＝i+1，如果i等于M+N，则计算结束，得到了新的采样序列V_new[M+N]；如果i小于M+N，返回步骤(2-7-3)继续计算。

所述步骤(3)的具体实现方法为：

GPS/北斗信号接收器发送给第一数据处理器的信号触发第一数据处理器的秒中断程序，第一数据处理器解析接收器发送的数据，并获得整秒时间信息；然后将频率数据和时间信息组合成数据包，发送给第二数据处理器。

所述步骤(4)中充电桩输出功率控制策略具体为：

(4-1)判断是否使能了考虑电网频率安全的充电控制功能，如果是，进入步骤(4-2)；

否则，判断前一控制信号是否为“100％Ps状态”，如果是，不发送控制信号，如果否，发送“100％Ps状态”的控制信号；

(4-2)根据第一数据处理器发送来的时间信息，判断是否在充电控制使能时间段内，如果是，则进入步骤(4-3)；

(4-3)根据电动汽车电池组电量数据信息，判断电池组当前电量是否大于电池组电量限制值，如果大于，则进入步骤(4-4)；

如果小于或等于电池组电量限制值，判断前一控制信号是否为“100％Ps状态”，如果是，不发送控制信号，如果否，发送“100％Ps状态”的控制信号；

(4-4)根据第一数据处理器发送来的频率数据，结合充电功率控制逻辑，判断频率安全状态，对充电电路发出功率控制信号；

其中，Ps为电动汽车充电桩的额定输出功率；“100％Ps状态”表示控制输出功率为100％的Ps。

所述步骤(4-4)的方法具体为：

a)前一控制信号为“0％Ps状态”时，如果当前频率≤滞环上限频率1，则不发送控制信号；如果滞环上限频率1≤当前频率≤滞环上限频率2，则发送“25％Ps状态”的控制信号；如果滞环上限频率2≤当前频率≤滞环上限频率3，则发送“50％Ps状态”的控制信号；如果滞环上限频率3≤当前频率≤滞环上限频率4，则发送“75％Ps状态”的控制信号；如果滞环上限频率4≤当前频率，则发送“100％Ps状态”的控制信号；

b)前一控制信号为“25％Ps状态”时，如果当前频率≤滞环下限频率1，则发送“0％Ps状态”的控制信号；如果滞环下限频率1≤当前频率≤滞环上限频率2，则不发送控制信号；如果滞环上限频率2≤当前频率≤滞环上限频率3，则发送“50％Ps状态”的控制信号；如果滞环上限频率3≤当前频率≤滞环上限频率4，则发送“75％Ps状态”的控制信号；如果滞环上限频率4≤当前频率，则发送“100％Ps状态”的控制信号；

c)前一控制信号为“50％Ps状态”时，如果当前频率≤滞环下限频率1，则发送“0％Ps状态”的控制信号；如果滞环下限频率1≤当前频率≤滞环下限频率2，则发送“25％Ps状态”的控制信号；如果滞环下限频率2≤当前频率≤滞环上限频率3，则不发送控制信号；如果滞环上限频率3≤当前频率≤滞环上限频率4，则发送“75％Ps状态”的控制信号；如果滞环上限频率4≤当前频率，则发送“100％Ps状态”的控制信号；

d)前一控制信号为“75％Ps状态”时，如果当前频率≤滞环下限频率1，则发送“0％Ps状态”的控制信号；如果滞环下限频率1≤当前频率≤滞环下限频率2，则发送“25％Ps状态”的控制信号；如果滞环下限频率2≤当前频率≤滞环下限频率3，则发送“50％Ps状态”的控制信号；如果滞环下限频率3≤当前频率≤滞环上限频率4，则不发送控制信号；如果滞环上限频率4≤当前频率，则发送“100％Ps状态”的控制信号；

e)前一控制信号为“100％Ps状态”时，如果当前频率≤滞环下限频率1，则发送“0％Ps状态”的控制信号；如果滞环下限频率1≤当前频率≤滞环下限频率2，则发送“25％Ps状态”的控制信号；如果滞环下限频率2≤当前频率≤滞环下限频率3，则发送“50％Ps状态”的控制信号；如果滞环下限频率3≤当前频率≤滞环下限频率4，则发送“75％Ps状态”的控制信号；如果滞环下限频率4≤当前频率，则不发送控制信号；

其中，电力系统低频减载第1轮动作频率<滞环下限频率1<滞环上限频率1<滞环下限频率2<滞环上限频率2<滞环下限频率3<滞环上限频率3<滞环下限频率4<滞环上限频率4<50Hz；Ps为电动汽车充电桩的额定输出功率，100％Ps状态表示输出功率为100％的Ps，以此类推。

本发明有益效果：

本发明能够实时监测电力系统的频率；电力系统故障后频率较为严重时，切除部分不重要的电动汽车充电负荷，减小系统有功功率缺额；有效防止低频减载的发生；缩短故障后电力系统频率的恢复时间；提高故障后电力系统频率稳定性；极大地降低经济损失。

基于在线测量的电网频率进行频率安全状态判断，并根据电网频率安全状态对电动汽车充电桩的充电功率进行控制。电动汽车充电桩控制系统，根据电网频率变化情况，在线自主决定电动汽车充电桩的输出功率状态，在多级充电功率状态之间切换。目的是提高故障后电网的频率安全性，减轻故障对电网的冲击。

附图说明

图1是电动汽车充电桩控制系统原理图；

图2是频率计算流程图；

图3是采样序列重构流程图；

图4是秒中断处理流程图；

图5是采样中断处理流程图；

图6是第一数据处理器的主程序处理流程图；

图7是充电功率控制逻辑图；

图8是充电功率控制策略流程图；

图9是第二数据处理器的串口中断程序流程图；

图10是充电桩充电电路原理图。

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：

如图1所示，考虑电网频率安全的电动汽车充电桩控制系统包括：电网单相电输入端口、电压互感器、AD转换芯片、第一数据处理器、第二数据处理器、频率实时显示界面、GPS/北斗信号接收器和人机交互装置。

电网单相电输入端口用于接入配电网单相交流电信号，接入电压允许范围30V～300V。

电压互感器将接入的交流电压变换成适合接入AD转换芯片的交流电压，本发明选用型号为ZMPT107的精密微型电压互感器，额定输入电流为2mA，额定输出电流为2mA，变比为1000:1000。

AD转换芯片将电压互感器输出的电压信号转换成数字信号并将数字信号存储在芯片内，完成对电压的采样，第一数据处理器以串行方式读取AD转换芯片存储的数字信号，本发明选用型号为CS5460A的芯片作为AD转换芯片，CS5460A为24位AD芯片，精度高，速度快。

频率实时界面用于实时显示电网频率信息，本发明选用12864液晶显示模块作为显示界面，第一数据处理器以串行方式控制该显示模块的显示内容。

GPS/北斗信号接收器用于接收地理信息同步信号，本发明选用北斗+GPS双模式接收天线。

第一数据处理器读取AD转换芯片的采样数据并更新采样序列，接收GPS/北斗信号接收器发送的地理信息数据，然后基于采样序列计算电压的频率，将频率数据打上时标后由RS232串口发送给第二数据处理器，并将频率数据实时显示在频率实时界面上。第一数据处理器选用型号为TMS320F28335的处理器。每秒钟计算25次频率，即每40毫秒算一次。

频率计算流程图如图2所示。设频率更新次数为cal_num且cal_num初始值为0，设当前频率估计值为f_old且f_old初始值为50Hz，该频率下的每周波采样个数为N，具体的频率计算步骤如下：

(1)设采样序列为V[M+N]，M+N为采样序列长度，M、N均为正整数。

(2)运用递推离散傅里叶相量分析法由V[M+N]计算出相位序列θ[M]，相位序列长度为M。

(3)运用下列公式

Δθ(n)＝θ(n)-θ(0)，n＝0，1，……，M-1

计算得到相位差序列Δθ[M]，相位差序列长度为M；

(4)设相位差是一个定常二次方程Δθ(k)＝a₀+a₁k+a₂k²，a₀、a₁、a₂为常数系数，运用下列公式

[\begin{matrix} {Δθ}_{0} \\ {Δθ}_{1} \\ . . . \\ . . . \\ {Δθ}_{M - 1} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 & 0 & 0 \\ 0 & 2 - 1 & 2^{2} - 1 \\ . . . & . . . & . . . \\ . . . & . . . & . . . \\ 0 & (M - 1) - 1 & {(M - 1)}^{2} - 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} a_{0} \\ a_{1} \\ a_{2} \end{matrix}]

简写为Δθ＝Xa

计算得到系数矩阵a＝[X^TX]^-1X^TΔθ，其中

a = [\begin{matrix} a_{0} \\ a_{1} \\ a_{2} \end{matrix}] .

(5)计算频率偏差

Δf = \frac{1}{2 π} N \times f_{old} \times (a_{1} + 2 a_{2} k),

其中k＝M；

(6)最新频率估计值为f_new＝f_old+Δf；

(7)f_old＝f_new；

(8)频率更新次数加1，即cal_num＝cal_num+1。如果cal_num等于2，则结束频率计算，计算结果为最新频率估计值f_new，如果cal_num小于2，则进入步骤0。

(9)以最新频率估计值f_new为基础，对采样序列进行波形的自适应重构，得到最新频率估计值f_new对应的采样序列为V[M+N]。

(10)返回步骤0继续计算。

上述频率计算步骤中用到的自适应重构方法的流程图如图3所示，具体方法如下：

(1)设α是新频率f_new下两个采样点的相位间隔，即

α = 2 π \frac{f_{new}}{N \times f_{old}},

f_new是最新频率估计值，f_old是前一频率估计值。

(2)计算变量

oriInterval = \frac{1}{N \times f_{old}};

newInterval = \frac{1}{N \times f_{new}};

(3)设当前的采样序列为V_old，要计算的新的采样序列为V_new；

(4)设i＝0；

(5)计算resampleIndex取值为不大于该计算值的最大整数；

(6)计算

x = i \times \frac{newInterval}{oriInterval} - resampleIndex;

(7)z₁＝V_old(resampleIndex)，z₂＝V_old(resampleIndes+1)，即z₁和z₂分别是采样序列V_old的第resampleIndex和resampleIndex+1个元素；

(8)计算V_new的第i个元素，

V_{new} (i) = z_{1} \cos xα + (z_{2} - z_{1} \cos α) \frac{\sin xα}{\sin α};

(9)i＝i+1，如果i等于M+N，则计算结束，得到了新的采样序列V_new[M+N]。如果i小于M+N，返回步骤0；

TMS320F28335的运行主要由三部分组成：主程序、秒中断、采样中断。主程序负责计算频率并数据由串口发送给第二数据处理器；秒中断负责处理GPS/北斗时间信号，计算时间；采样中断负责更新采样序列，并触发频率计算。

秒中断由GPS/北斗信号接收器发送给TMS320F28335的信号触发，然后TMS320F28335读取该接收器发送的数据，该接收器每秒发送一次信号。秒中断流程如图4所示，具体步骤如下：

(1)解析接收器发送的数据；

(2)获得整秒时间信息；

(3)设置参数m＝0，j＝127；

采样中断由CS5460A发送给TMS320F28335的信号触发，当CS5460A转化的数字信号就绪后会向TMS320F28335发送信号触发TMS320F28335的采样中断，然后TMS320F28335读取CS5460A存储的数字信号。采样中断流程如图5所示，具体步骤如下：

(1)读取CS5460A存储的数字信号；

(2)更新采样序列；

(3)j＝j+1；

(4)如果j大于127，则cal_start＝1；

TMS320F28335的主程序频率计算由变量cal_start触发，如果cal_start等于1则开始计算，否则继续等待，cal_start初始值为0。主程序流程如图6所示，主程序具体步骤如下：

0判断cal_start是否等于1，如果等于1则进入步骤0，否则返回步骤0；

0按照前述频率计算步骤计算频率；

0将频率数据打上时标，即将频率数据和时间信息组合成数据包，例如数据包为2015042209511506500235表示2015年04月22日09:51:15，秒内第06个频率数据，频率值为50.0235Hz；

0将频率和时间数据发送到12864液晶显示模块，更新显示内容；

0将步骤0中的数据包通过串口发送给第二数据处理器；

0m＝m+1，j＝0，cal_start＝0；

0返回步骤0；

第二数据处理器，选用型号为stm32的处理器，其运行程序主要有两部分：参数设置中断程序、串口中断程序。

参数设置中断程序由人机交互装置触发，触发后参数设置中断程序对人机交互装置发送来的参数数据进行读取，然后更改相应的充电控制系统参数。

串口中断程序由第一数据处理器触发，当第一数据处理器通过串口向第二数据处理器发送数据时，第二数据处理器的串口中断程序被触发，串口中断程序读取第一数据处理器发送来的频率数据和时间信息，然后读取电动汽车电池组电量数据，最后根据充电桩输出功率控制策略，向充电桩发出功率控制信号，实时调整充电桩的输出功率。第二数据处理器的串口中断程序的流程图如图9所示。

人机交互装置选用可触摸智能彩屏模块，实现充电控制系统参数的本地设置，操作人员可以直接在界面上通过触摸方式实现参数设置，设置好的参数会发送给第二数据处理器，触发第二数据处理器的参数设置中断程序实现电动汽车充电桩控制系统参数设置。

以下电动汽车充电桩控制系统参数根据实际需要，通过人机交互装置进行设置：滞环上限频率1～滞环上限频率4(freq_op_uplimit1～freq_op_uplimit4)、滞环下限频率1～滞环下限频率4(freq_op_floorlimit1～freq_op_floorlimit4)、电池组电量限制值(elec_quan_limit)、充电控制使能时间段(time_op)、充电控制使能(if_start)等，if_start＝1表示使能充电控制，if_start＝0表示关闭充电控制。

其中，电力系统低频减载第1轮动作频率<滞环下限频率1<滞环上限频率1<滞环下限频率2<滞环上限频率2<滞环下限频率3<滞环上限频率3<滞环下限频率4<滞环上限频率4<50Hz。

设电动汽车充电桩的额定输出功率为Ps，本发明将电动汽车充电桩的输出功率分为5个状态，分别为100％Ps状态(表示输出功率为100％的Ps)、75％Ps状态(表示输出功率为75％的Ps)、50％Ps状态(表示输出功率为50％的Ps)、25％Ps状态(表示输出功率为25％的Ps)、0％Ps状态(表示输出功率为0％的Ps)。第二数据处理器发出功率控制信号控制充电桩的充电功率在这5个状态之间切换。

本发明以一种典型的直流充电桩充电电路为例说明充电桩充电功率控制原理。如图10所示，充电电路由不控整流电路、Boost电路和Buck组成。不控整流电路将交流电压整流成直流电压UD；Boost电路利用比例积分控制(PI控制)将直流电压UD变换成恒定直流电压Ud，且Ud的值由参考值Udref决定；Buck电路利用功率反馈控制实现输出功率控制，使输出功率Pout等于参考值Pref。

第二数据处理器发出功率控制信号，改变充电桩电路功率反馈回路的参考值Pref，这样就能实现功率控制，使充电桩输出功率Pout为Pref。Pref＝100％Ps表示控制输出功率为100％的Ps；Pref＝75％Ps表示控制输出功率为75％的Ps；Pref＝50％Ps表示控制输出功率为50％的Ps；Pref＝25％Ps表示控制输出功率为25％的Ps；Pref＝0％Ps表示控制输出功率为0％的Ps；

充电桩输出功率控制策略的流程如图8所示，具体的充电桩输出功率控制策略如下：

(1)判断是否使能了考虑电网频率安全的充电控制功能，即如果if_start＝1则表示使能了充电控制功能，进入步骤0。if_start＝0，即充电控制功能未被使能时，如果前一控制信号为“100％Ps状态”时，不发送控制信号；如果前一控制信号状态非“100％Ps状态”时，发送“100％Ps状态”的控制信号。

(2)根据第一数据处理器发送来的时间信息，判断是否在充电控制使能时间段内，在该时间段内则进入步骤0。不在该时间段内时，如果前一控制信号为“100％Ps状态”时，不发送控制信号；如果前一控制信号状态非“100％Ps状态”时，发送“100％Ps状态”的控制信号。

(3)根据电动汽车电池组电量数据信息，判断电池组当前电量是否大于电池组电量限制值，大于则进入步骤0。小于等于电池组电量限制值时，如果前一控制信号为“100％Ps状态”时，不发送控制信号；如果前一控制信号状态非“100％Ps状态”时，发送“100％Ps状态”的控制信号。

(4)根据第一数据处理器发送来的频率数据和充电功率控制逻辑，判断频率安全状态，对充电电路发出功率控制信号。结合图7，充电功率控制逻辑如下：

a)前一控制信号为“0％Ps状态”时，如果当前频率≤滞环上限频率1，则不发送控制信号；如果滞环上限频率1≤当前频率≤滞环上限频率2，则发送“25％Ps状态”的控制信号；如果滞环上限频率2≤当前频率≤滞环上限频率3，则发送“50％Ps状态”的控制信号；如果滞环上限频率3≤当前频率≤滞环上限频率4，则发送“75％Ps状态”的控制信号；如果滞环上限频率4≤当前频率，则发送“100％Ps状态”的控制信号。

b)前一控制信号为“25％Ps状态”时，如果当前频率≤滞环下限频率1，则发送“0％Ps状态”的控制信号；如果滞环下限频率1≤当前频率≤滞环上限频率2，则不发送控制信号；如果滞环上限频率2≤当前频率≤滞环上限频率3，则发送“50％Ps状态”的控制信号；如果滞环上限频率3≤当前频率≤滞环上限频率4，则发送“75％Ps状态”的控制信号；如果滞环上限频率4≤当前频率，则发送“100％Ps状态”的控制信号。

c)前一控制信号为“50％Ps状态”时，如果当前频率≤滞环下限频率1，则发送“0％Ps状态”的控制信号；如果滞环下限频率1≤当前频率≤滞环下限频率2，则发送“25％Ps状态”的控制信号；如果滞环下限频率2≤当前频率≤滞环上限频率3，则不发送控制信号；如果滞环上限频率3≤当前频率≤滞环上限频率4，则发送“75％Ps状态”的控制信号；如果滞环上限频率4≤当前频率，则发送“100％Ps状态”的控制信号。

d)前一控制信号为“75％Ps状态”时，如果当前频率≤滞环下限频率1，则发送“0％Ps状态”的控制信号；如果滞环下限频率1≤当前频率≤滞环下限频率2，则发送“25％Ps状态”的控制信号；如果滞环下限频率2≤当前频率≤滞环下限频率3，则发送“50％Ps状态”的控制信号；如果滞环下限频率3≤当前频率≤滞环上限频率4，则不发送控制信号；如果滞环上限频率4≤当前频率，则发送“100％Ps状态”的控制信号。

e)前一控制信号为“100％Ps状态”时，如果当前频率≤滞环下限频率1，则发送“0％Ps状态”的控制信号；如果滞环下限频率1≤当前频率≤滞环下限频率2，则发送“25％Ps状态”的控制信号；如果滞环下限频率2≤当前频率≤滞环下限频率3，则发送“50％Ps状态”的控制信号；如果滞环下限频率3≤当前频率≤滞环下限频率4，则发送“75％Ps状态”的控制信号；如果滞环下限频率4≤当前频率，则不发送控制信号。

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，所属领域技术人员应该明白，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。

Claims

1.一种考虑电网频率安全的电动汽车充电桩控制系统，其特征是，包括：电网单相电输入端口、电压互感器、AD转换芯片、第一数据处理器、第二数据处理器、数据实时显示装置、GPS/北斗信号接收器以及人机交互装置；

2.如权利要求1所述的一种考虑电网频率安全的电动汽车充电桩控制系统，其特征是，所述第一数据处理器的运行包括：主程序、秒中断和采样中断；主程序负责计算频率并将频率数据由串口发送给第二数据处理器；秒中断负责处理GPS/北斗时间信号，计算时间；采样中断负责更新采样序列，并触发频率计算。

3.如权利要求1所述的一种考虑电网频率安全的电动汽车充电桩控制系统，其特征是，所述第二数据处理器的运行包括：参数设置中断程序和串口中断程序；

4.一种如权利要求1所述的考虑电网频率安全的电动汽车充电桩控制系统的控制方法，其特征是，包括：

5.如权利要求4所述的一种考虑电网频率安全的电动汽车充电桩控制系统的控制方法，其特征是，所述步骤(2)中基于电压的采样数据计算电压频率的具体方法为：

(2-1)假设频率更新次数为cal_num且cal_num初始值为0，当前频率估计值为f_old且f_old初始值为50Hz；该频率下的每周波采样个数为N，N为整数；

(2-2)采样序列为V[M+N]，M+N为采样序列长度，M为正整数；

(2-4)根据相位序列计算相位差序列Δθ[M],M为相位序列长度；设相位差为定常二次方程：Δθ(k)＝a₀+a₁k+a₂k²，a₀、a₁、a₂为常数系数，k＝0，1，2，...，M-1；则相位差序列可表示为矩阵形式：

[\begin{matrix} Δ θ_{0} \\ {Δθ}_{1} \\ ... \\ ... \\ Δ θ_{M - 1} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 0 & 0 & 0 \\ 0 & 2 - 1 & 2^{2} - 1 \\ ... & ... & ... \\ ... & ... & ... \\ 0 & (M - 1) - 1 & {(M - 1)}^{2} - 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} a_{0} \\ a_{1} \\ a_{2} \end{matrix}];

简写为Δθ＝Xa，计算得到系数矩阵a＝[X^TX]^-1X^TΔθ，其中，

(2-5)计算频率偏差Δf，并更新频率估计值为f_new＝f_old+Δf；

(2-8)返回步骤(2-2)继续计算。

6.如权利要求5所述的一种考虑电网频率安全的电动汽车充电桩控制系统的控制方法，其特征是，所述步骤(2-7)中对采样序列进行波形的自适应重构的具体方法为：

(2-7-1)设α是新频率f_new下两个采样点的相位间隔，计算变量

(2-7-3)计算相位间隔系数其中，resampleIndex为取值不大于的最大整数；

(2-7-5)计算V_new的第i个元素值，

7.如权利要求4所述的一种考虑电网频率安全的电动汽车充电桩控制系统的控制方法，其特征是，所述步骤(3)的具体实现方法为：

8.如权利要求4所述的一种考虑电网频率安全的电动汽车充电桩控制系统的控制方法，其特征是，所述步骤(4)中充电桩输出功率控制策略具体为：

9.如权利要求8所述的一种考虑电网频率安全的电动汽车充电桩控制系统的控制方法，其特征是，所述步骤(4-4)的方法具体为：