CN105098941A - 考虑电网频率稳定的电动汽车充电双向控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑电网频率稳定的电动汽车充电双向控制系统及方法，包括：一次调频控制系统安装于分散的电动汽车直流充电桩或者充放电站内的充电桩；二次调频控制系统安装于参与二次调频的电动汽车集中充放电站；二次调频控制系统包括集中充放电站站控系统和电动汽车充电桩控制系统；通过集中充放电站站控系统实现电动汽车充电桩控制系统与调频代理商的双向通信，同时接收二次调频机组控制系统的调频信息。本发明的有益效果是：使对频率变化不敏感的电动汽车充电负荷参与到电网的一次和二次调频，减轻了电网传统调频机组的调频压力，提高了电网调频响应速度，增强了电网的频率稳定性和运行安全性。

Description

考虑电网频率稳定的电动汽车充电双向控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电力系统稳定运行与控制及电动汽车充电技术领域，尤其涉及一种考虑电网频率稳定的电动汽车充电双向控制系统及方法。

背景技术

电力系统安全稳定运行的条件是供需平衡，即负荷与发电平衡，特别是有功功率的平衡，它直接影响系统频率的稳定。电力系统对频率的要求极高，电力系统正常的频率标准为50Hz±0.2Hz。系统频率偏离额定值运行会对用电设备造成影响甚至破坏。

智能电网的发展对电网建设提出了更高的要求。智能电网建设围绕绿色、智能、可持续发展、安全可靠、经济高效展开，要求加快可再生能源发电的建设，升级改造传统输电网与配电网，实现调度智能化，尽最大可能满足用户用电需求，保证用电质量与用电可靠性。

在智能电网建设背景下，频率控制三道防线的不足也越来越明显，特别是第三道防线中的低频减载，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。

随着智能电网建设的发展，传统可控涡轮发电(火电、水电、煤电、燃气等)所占比重将越来越小，造成系统旋转备用容量不足。而可再生能源发电(风电、光伏发电、生物质发电等)所占的比重越来越大，其发电的间歇性和不可控性容易引起有功出力的大幅随机波动，其本身又缺乏储能备用，而且它们通过电力电子装置联网，故障情况下无法阻尼电网频率的变化，这对可控发电机组的可调容量与总旋转备用容量又提出了更高要求。故障后系统频率下降严重时极易使电网陷入有功电源支撑不足的困境，造成系统频率的进一步下降；在做电网低频减载整定时也不得不提高切负荷量，进一步影响了供电，造成更大的经济损失，与智能电网的建设初衷背道而驰。

综上所述，亟需寻找一种可控负荷，在故障后电网频率下降严重时可以减小甚至切除这种负荷，减小甚至消除功率缺额，保证系统频率稳定性。但是当系统有功功率缺额较大且有功备用不足时，即使完全切除这种负荷可能也不会阻止频率的下降，这时还需要寻找一种可控储能元件，作为有功备用，在电网经受极其严重的故障后能够向电网送电，起到故障后电源支撑的作用，进一步提高系统频率稳定性，避免低频减载的发生，将经济损失降到最低。

电动汽车恰恰能同时满足上述两个要求。首先，电动汽车充电负荷是一种较为理想的可控负荷，它的充电功率受控于充电桩，可以比较容易的控制充电负荷大小。此外，可双向送电的充电桩技术也在日趋成熟，这使得将电动汽车电池作为电源向电网送电成为可能。

预计到2020年，国内充换电站数量达到1.2万个，充电桩达到450万个，电动汽车与充电设施的比例也将从现在的4：1提升到接近标配的1：1，并且电动汽车电池容量也会随着技术的进步而大幅增大，电动汽车作为可控有功电源支撑电网频率安全稳定运行的作用将越来越大。

由此可见设计一种考虑电网频率稳定的电动汽车充电双向控制系统及方法是十分必要的。

发明内容

本发明的目的就是解决上述问题，提供了一种考虑电网频率稳定的电动汽车充电双向控制系统及方法，以具有双向功率转换功能的单相直流充电桩结构作为实现频率调节功能的充电桩主电路，来说明该双向控制系统和方法。双向控制系统以电网频率或调频指令为基础，按照控制算法进行电动汽车充放电功率计算，通过充电桩功率控制模块控制电动汽车按照计算的功率大小进行充放电，最终实现配合电网频率稳定控制的电动汽车充放电。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案，包括：

一种考虑电网频率稳定的电动汽车充电双向控制系统，包括：一次调频控制系统和二次调频控制系统；

所述一次调频控制系统安装于分散的电动汽车直流充电桩或者充放电站内的充电桩；所述二次调频控制系统安装于参与二次调频的电动汽车集中充放电站；

所述二次调频控制系统包括集中充放电站站控系统和电动汽车充电桩控制系统；通过集中充放电站站控系统实现电动汽车充电桩控制系统与调频代理商的双向通信，同时接收二次调频机组控制系统的调频信息；

调频代理商集中若干电动汽车参与电网调频服务，接受电网二次调频指令信息并分别发送到二次调频机组控制系统和集中充放电站站控系统。

所述一次调频控制系统的结构包括：用户设置模块，信息发送模块，频率测量模块，频率选取模块，功率计算模块以及充电桩功率控制模块；

所述用户设置模块与充电桩功率控制模块和信息发送模块分别通信，频率测量模块接入充电所在的低压交流电网，频率测量模块还与频率选取模块、功率计算模块和功率控制模块依次串联连接。

所述集中充放电站站控系统包括依次连接的站控信息收发模块和调频信息计算模块。

所述充电桩控制系统包括：用户设置模块、信息收发模块、功率计算模块以及充电桩功率控制模块；

用户设置模块通过内部通信线路分别与充电桩功率控制模块和信息收发模块连接，信息收发模块与集中充放电站站控系统通信，信息收发模块接收集中充放电站站控系统发送的调频指令并与功率计算模块相连，功率计算模块与功率控制模块相连。

所用的电动汽车充电桩为双向直流充电桩，具体包括：交流输入电源、全控型双向AC/DC变换器、全控双向隔离型DC/DC变换器以及用于滤波、稳压的电感L1、电感L2、电容C1和电容C2；

所述全控型双向AC/DC变换器的交流侧通过电感L1与交流输入电源连接，全控型双向AC/DC变换器的直流侧并联直流滤波电容C1；

所述全控双向隔离型DC/DC变换器包括：高频变压器两端分别连接第一H形桥臂和第二H形桥臂；全控双向隔离型DC/DC变换器靠近交流电源一侧的两端通过电感L2分别接入第一H形桥臂的上臂和下臂之间；全控双向隔离型DC/DC变换器靠近电动汽车动力电池一侧的两端分别接入第二H形桥臂的上臂和下臂之间；所述第二H形桥臂并联直流滤波电容C2后接入动力电池。

所述充电桩功率控制模块包括第一PWM控制电路和第二PWM控制电路；

第一PWM控制电路输入直流滤波电容C1处直流电压参考值、直流电压实际值以及充电桩接入端口交流电流、交流电压，输出全控型双向AC/DC变换器功率开关管的开关控制信号；

第二PWM控制电路恒流充放电阶段输入充电动力电池输入电流指令值、输入电流实际值，恒压充放电阶段输入充电动力电池端电压指令值、端电压实际值；输出全控型DC/DC变换器功率开关管的开关控制信号；

第一PWM控制电路通过对输入信号的PWM控制实现交直流变换、功率因数控制、交流电压和电流控制的功能；第二PWM控制电路通过对输入信号的移相PWM控制技术实现直流电压变换并控制动力电池充放电功率。

在电网向电动汽车送电时，

对于全控型双向AC/DC变换器，第一PWM控制电路的控制过程为：直流电压参考值V_dc，ref与直流电压实际值V_dc比较后，误差信号e1通过电压控制PI调节器产生直流电压信号V_dc，con，直流电压信号V_dc，con与电网电压相角波形相乘后产生充电交流电流相角参考值|i_L1，ref|，交流电流相角参考值|i_L1，ref|与充电交流电流相角实际值|i_L1|比较后误差信号e2通过电流控制PI调节器产生交流电流信号i_con，交流电流信号i_con与载波信号通过信号比较器比较后通过极性识别环节产生驱动信号，驱动功率开关管Q1-Q4，实现预定功能；

对于全控型DC/DC变换器，第二PWM控制电路的控制过程为：电流或电压指令值与动力电池电流或电压实际值比较，产生的误差信号e通过PI调节器后与常数相乘产生电流参考信号i_con或电压参考信号V_con，参考信号与载波信号V_car作和后经正弦变换产生参考信号i_θ(用于恒流充电控制)或v_θ(用于恒压充电控制)；载波信号正弦处理后产生参考信号i₀(用于恒流充电控制)或v₀(用于恒压充电控制)；开关管转换过程死区时间与转换周期之比vi_ratio与i_θ或v_θ通过信号比较器比较后产生驱动功率开关管Q7的信号，与i₀或v₀通过信号比较器比较后生驱动功率开关管Q5的信号；vi_ratio取反后与i_θ或v_θ通过信号比较器比较后产生驱动功率开关管Q8的信号，vi_ratio取反后与i₀或v₀通过信号比较器比较后产生驱动功率开关管Q6的信号。

在电动汽车向电网送电时，

对于全控型双向AC/DC变换器，第一PWM控制电路的控制过程为：直流电压参考值V_dc，ref与直流电压实际值比较后，误差信号通过PI调节器产生直流电压信号V_dc，con，直流电压信号V_dc，con与电网电压相角波形相乘后产生充电交流电流相角参考值|i_L1，ref|，交流电流相角参考值|i_L1，ref|与充电交流电流相角实际值比较后误差信号通过PI调节器产生交流电流信号i_con，交流电流信号i_con与载波信号通过信号比较器比较后通过极性识别环节产生驱动信号，驱动功率开关管，实现预定功能；

对于全控型DC/DC变换器，第二PWM控制电路的控制过程为：功率控制模块在接收到功率计算模块给出的动力电池输入电流指令值i_bat，ref或动力电池端电压指令值V_bat，ref后，电流或电压指令值与动力电池电流或电压实际值比较，产生的误差信号通过PI调节器后与常数相乘产生电流或电压参考信号，参考信号与载波信号作和后经正弦变换产生参考信号i_θ(用于恒流放电控制)或v_θ(用于恒压放电控制)；载波信号正弦处理后产生参考信号i₀(用于恒流放电控制)或v₀(用于恒压放电控制)；开关管转换过程死区时间与转换周期之比vi_ratio与i_θ或v_θ通过信号比较器比较后产生驱动功率开关管Q11的信号，与i₀或v₀通过信号比较器比较后生驱动功率开关管Q9的信号；vi_ratio取反后与i_θ或v_θ通过信号比较器比较后产生驱动功率开关管Q12的信号，vi_ratio取反后与i₀或v₀通过信号比较器比较后产生驱动功率开关管Q10的信号。

一种考虑电网频率稳定的电动汽车充电双向控制系统的控制方法，包括：对一次调频控制系统的控制和对二次调频控制系统的控制；

所述一次调频控制系统的控制方法包括以下步骤：

(1)设置电动汽车充电基本信息，包括充电时间段、充电功率大小以及是否参与一次调频，其中充电功率不大于充电桩允许的最大功率；

(2)判断是否参与一次调频；

若不参与一次调频，则计算恒流充电阶段充电电流指令值，并将指令值发送到一次调频控制系统的充电桩功率控制模块；达到预定充电时间或充电电量后充电过程结束；

若参与一次调频，则充电桩功率控制模块接收一次调频功率控制指令，并通过驱动电路控制双向充电桩功率开关管；

(3)根据电池电量，选择一次调频响应模式；所述一次调频响应模式包括：以充电为主的一次调频响应模式，以放电为主的一次调频响应模式和以维持电量平衡为主的一次调频响应模式；

(4)一次调频控制系统的信息发送模块将充电电动汽车参与一次调频的充电时间、充电功率、调频参与模式相关信息发送到电网调度机构，电网调度机构根据接收到的信息制定调频及发电计划；

(5)一次调频控制系统测量电网实时频率信息并判断电网频率变化是否处在预设范围内，若处于预设范围，则电动汽车按照用户设定的充电功率进行充电；若频率波动超出预设范围，则计算响应频率变化的电动汽车充放电功率以及动力电池输入电流指令值或动力电池端电压指令值；

(6)一次调频控制系统的充电桩功率控制模块根据步骤(5)中计算的数值，结合充电动力电池的电压电流参数，对电动汽车进行充放电功率的控制，实现电动汽车响应频率变化的充放电。

所述二次调频控制系统的控制方法包括以下步骤：

(1)设置电动汽车充电基本信息，包括充电时间段、充电功率大小以及是否参与一次调频，其中充电功率不大于充电桩允许的最大功率；

(2)判断是否参与二次调频；

若不参与二次调频，则计算恒流充电阶段充电电流指令值，并将指令值发送到二次调频控制系统的充电桩功率控制模块；达到预定充电时间或充电电量后充电过程结束；

(3)参与二次调频的电动汽车集中充放电站站控系统将参与二次调频的电动汽车调频信息汇总后发送到调频代理商，调频代理商汇总后传送至电网调度机构；

调频代理商从电网调度机构获取调频指令后发送至二次调频机组控制系统和电动汽车集中充放电站站控系统，二次调频机组控制系统将自身可参与调频容量和调频响应时间特性参数发送给参与二次调频的集中充放电站站控系统；

(4)电动汽车集中充放电站站控系统根据调频代理商发送的调频指令与二次调频机组的调频容量，得出电动汽车实际响应的调频信号，并将所述调频信号传送至充电桩控制系统；

(5)充电桩控制系统收到调频指令后，根据预设的调频控制算法计算电动汽车可参与二次调频的容量；

(6)根据二次调频的容量以及调频指令信号给出的调频时间计算调频功率，结合动力电池当前充电功率，计算动力电池输入电流指令值或动力电池端电压指令值；

(7)二次调频控制系统的充电桩功率控制模块根据步骤(6)中计算的数值，结合直流充电桩的电压电流参数，对电动汽车进行充放电功率的控制，实现电动汽车响应频率变化的充放电。

本发明有益效果：

本发明使得对频率变化不敏感的电动汽车充电负荷参与到电网的一次和二次调频，减轻了电网传统调频机组的调频压力，提高了电网调频响应速度，增强了电网的频率稳定性和运行安全性，同时使电网有能力接纳更多风能和太阳能发电；一次调频控制系统和方法考虑不同电量用户的调频选择，在保证电网稳定运行的基础上满足用户的充电需求；二次调频控制系统和方法考虑动力电池使用寿命，维持电动汽车动力电池电量平衡，与二次调频机组配合完成二次调频任务。

附图说明

图1为本发明调频控制系统与电网调度机构通信结构图；

图2为本发明一次调频控制系统图；

图3为本发明二次调频控制系统图；

图4为本发明二次调频充电桩控制系统图；

图5(a)为本发明双向充电桩主电路拓扑图；

图5(b)为本发明第一PWM控制电路控制方框图；

图5(c)为本发明第二PWM控制电路控制方框图；

图6为本发明一次调频控制模式图；

图7为本发明二次调频控制电量平衡计算框图。

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：

本发明公开了一种考虑电网频率稳定的电动汽车充电双向控制系统及控制方法，以具有双向功率转换功能的单相直流充电桩结构作为实现频率调节功能的充电桩主电路，以此说明该双向控制系统和方法。

本发明中的控制系统以用户设置的基本充电要求为基础，用户可选择是否参与调频服务及参与调频服务的类型。当用户不参与调频服务时，充电桩控制系统按照用户设置的充电信息完成电动汽车的充电。当用户参与调频服务时，控制系统首先将用户选择的调频信息发送到电网调度机构并获取电网频率信息或调频指令信息，实现电动汽车充电负荷与电网的互动。控制系统以电网频率或调频指令为基础，按照控制算法进行电动汽车充放电功率计算，通过充电桩功率控制模块控制电动汽车按照计算的功率大小进行充放电，最终实现配合电网频率稳定控制的电动汽车充放电。

如图1所示，考虑电网频率稳定的电动汽车充电双向控制系统包括参与一次调频的电动汽车充电双向控制系统(简称一次调频控制系统)和参与二次调频的电动汽车充电双向控制系统(简称二次调频控制系统)。参与一次调频的电动汽车充电双向控制系统安装于分散的电动汽车(单相或三相)直流充电桩，也可分散安装于充放电站内的充电桩，其将参与调频信息通过通信线路发送到电网调度机构。

参与二次调频的电动汽车充电双向控制系统，安装于参与二次调频的电动汽车集中充放电站，包括集中充放电站站控系统和充电桩控制系统。二次调频控制系统通过集中充放电站站控系统与电动汽车充电桩控制系统、调频代理商双向通信，同时接收二次调频机组调频信息。调频代理商集中大量电动汽车参与电网调频服务，接受电网二次调频指令信息并发送到二次调频机组控制系统和集中充放电站站控系统。

如图2所示，参与一次调频的电动汽车充电双向控制系统的结构包括：用户设置模块，信息发送模块，频率测量模块，频率选取模块，功率计算模块以及功率控制模块，其中虚线部分为一次调频响应单元，包括信息发送模块、频率测量模块、频率选取模块和功率计算模块，在用户选择参与一次调频服务时起作用。参与一次调频的控制系统中，用户设置模块通过显示屏和按键接受用户设置，通过内部通信线路与充电桩功率控制模块和一次调频响应单元连接。功率控制模块通过通信线路接收用户设置单元和一次调频响应单元的功率控制指令，并通过驱动电路控制双向充电桩功率开关管。一次调频响应单元与用户设置模块相连，接受用户使能设置，其中频率测量模块接入充电所在的低压交流电网并与频率选取模块连接，功率计算模块向前与频率选取模块连接向后与功率控制模块连接。功率控制模块通过控制双向充电桩AC/DC和DC/DC功率变换模块控制电动汽车按照计算功率进行充放电。

如图3所示，参与二次调频的电动汽车充电双向控制系统的结构包括：参与二次调频的集中充放电站站控系统(简称集中充放电站站控系统)和充电桩控制系统。集中充放电站站控系统由站控信息收发模块和调频信息计算模块组成。参与二次调频的控制系统中，集中充放电站站控系统通过通信线路与调频代理商相连，接收二次调频指令LFC，同时与就近的二次调频机组控制系统相连，获取二次调频机组调频容量C_G和调频响应时间特性参数T_G。集中充放电站站控系统向下与充电桩控制系统中的信息收发模块相连，给出电动汽车调频指令信息LFC_EV。

如图4所示，充电桩控制系统由用户设置模块、信息收发模块、功率计算模块以及功率控制模块组成，其中虚线部分为二次调频响应单元，包括信息收发模块和功率计算模块，在用户选择参与二次调频服务时起作用。充电桩控制系统中，用户设置模块通过显示屏和按键接受用户设置，通过内部通信线路与充电桩功率控制模块和二次调频响应单元连接。功率控制模块通过通信线路接收用户设置单元和二次调频响应单元的功率控制指令，并通过驱动电路控制双向充电桩功率开关管。二次调频响应单元与用户设置模块相连，接受用户使能设置，其中信息收发模块接收集中充放电站站控系统发送的调频指令信息LFC_EV并与功率计算模块相连，功率计算模块与功率控制模块相连。功率控制模块通过控制双向充电桩AC/DC和DC/DC功率变换模块控制电动汽车按照计算功率进行充放电。

如图5(a)所示，所用双向直流充电桩结构包括：交流输入电源、全控型双向AC/DC变换器、全控双向隔离型DC/DC变换器以及用于滤波、稳压的电感L1、L2电容C1、C2。全控型双向AC/DC变换器采用具有反并联二极管的功率开关管Q1-Q4构成H形桥臂的上臂和下臂，两个桥臂并联成单相全桥。全桥AC/DC变换器直流侧并联C1直流滤波电容，交流侧交流输入电源V_grid两端通过电阻R、电感L1分别接入H形桥两桥臂上臂和下臂之间。全控双向隔离型DC/DC变换器由高频变压器连接两个H桥组成，具有反并联二极管的功率开关管Q5-Q12构成各H形桥臂的上臂和下臂，两个桥臂并联成全桥。隔离变压器靠近交流电源一侧两端通过电感L2分别接入H形桥两桥臂上臂和下臂之间，该H桥与C1直流滤波电容并联，靠近电动汽车动力电池一侧两端分别接入另一H形桥两桥臂上臂和下臂之间。靠近电动汽车动力电池侧H桥并联C2直流滤波电容后接入动力电池。

所述充电桩功率控制模块包括控制输入信号和两个PWM控制电路。

PWM控制电路1(即第一PWM控制电路)输入C1直流滤波电容处直流电压参考值V_dc，ref、C1直流滤波电容处直流电压实际值V_dc、充电桩接入端口交流电流i_L1、充电桩接入端口交流电压V_grid，输出全控型双向AC/DC变换器功率开关管Q1-Q4的开关控制信号。PWM控制电路1通过对输入信号的PWM控制实现交直流变换、功率因数控制、交流电压和电流控制的功能。

PWM控制电路2(即第二PWM控制电路)恒流充放电阶段输入充电动力电池输入电流指令值i_bat，ref和充电动力电池输入电流实际值i_bat，，恒压充放电阶段输入充电动力电池端电压指令值V_bat，ref和充电动力电池端电压实际值V_bat。充电时PWM控制电路2输出全控型DC/DC变换器功率开关管Q5-Q8的开关控制信号，放电时PWM控制电路2输出全控型DC/DC变换器功率开关管Q9-Q12的开关控制信号。PWM控制电路2通过对输入信号的移相PWM控制技术实现直流电压变换并控制动力电池充放电功率。

在电网向电动汽车送电时，AC/DC双向变换器运行为具有PFC(功率因数校正)功能的整流器，电感L1、L2用以矫正输入电流波形，获取高(近似为1)的功率因数。直流滤波电容处直流电压参考值V_dc，ref在动力电池电压变化范围非常大时可随动力电池电压增减适当增减，在动力电池电压在200-500V间时保持不变。如图5(b)所示，PWM控制电路1控制过程为：直流电压参考值V_dc，ref与直流电压实际值V_dc比较后，误差信号e1通过电压控制PI调节器产生直流电压信号V_dc，con，直流电压信号V_dc，con与电网电压相角波形相乘后产生充电交流电流相角参考值|i_L1，ref|，交流电流相角参考值|i_L1，ref|与充电交流电流相角实际值|i_L1|比较后误差信号e2通过电流控制PI调节器产生交流电流信号i_con，交流电流信号i_con与载波信号通过信号比较器比较后通过极性识别环节产生驱动信号，驱动功率开关管Q1-Q4，实现预定功能。

在电网向电动汽车送电时，DC/DC双向变换器变换直流电压以向电池提供合式的充电电流、电压，高频变压器起电隔离作用。在电网向电动汽车送电时功率开关管Q5-Q8作为全控器件控制充电功率大小和充电电压、电流，Q9-Q12作为不可控型器件(二极管)使用。如图5(c)所示，PWM控制电路2控制过程为：功率控制模块在接收到功率计算模块给出的动力电池输入电流指令值i_bat，ref或动力电池端电压指令值V_bat，ref后，电流或电压指令值与动力电池电流或电压实际值比较，产生的误差信号e通过PI调节器后与常数相乘产生电流参考信号i_con或电压参考信号V_con，参考信号与载波信号V_car作和后经正弦变换产生参考信号i_θ(用于恒流充电控制)或v_θ(用于恒压充电控制)。载波信号正弦处理后产生参考信号i₀(用于恒流充电控制)或v₀(用于恒压充电控制)。开关管转换过程死区时间与转换周期之比vi_ratio与i_θ或v_θ通过信号比较器比较后产生驱动功率开关管Q7的信号，与i₀或v₀通过信号比较器比较后生驱动功率开关管Q5的信号。vi_ratio取反后与i_θ或v_θ通过信号比较器比较后产生驱动功率开关管Q8的信号，vi_ratio取反后与i₀或v₀通过信号比较器比较后产生驱动功率开关管Q6的信号。

在电动汽车向电网送电时，动力电池通过DC/DC双向变换器变换直流电压后通过AC/DC变换器向电网输出交流电，高频变压器起电隔离作用。在电动汽车向电网送电时功率开关管Q9-Q12作为全控器件控制充电功率大小和充电电压、电流，Q5-Q8作为不可控型器件(二极管)使用。如图5(c)所示，PWM控制电路2控制过程为：功率控制模块在接收到功率计算模块给出的动力电池输入电流指令值i_bat，ref或动力电池端电压指令值V_bat，ref后，电流或电压指令值与动力电池电流或电压实际值比较，产生的误差信号e通过PI调节器后与常数相乘产生电流参考信号i_con或电压参考信号V_con，参考信号与载波信号V_car作和后经正弦变换产生参考信号i_θ(用于恒流放电控制)或v_θ(用于恒压放电控制)。载波信号正弦处理后产生参考信号i₀(用于恒流放电控制)或v₀(用于恒压放电控制)。开关管转换过程死区时间与转换周期之比vi_ratio与i_θ或v_θ通过信号比较器比较后产生驱动功率开关管Q11的信号，与i₀或v₀通过信号比较器比较后生驱动功率开关管Q9的信号。vi_ratio取反后与i_θ或v_θ通过信号比较器比较后产生驱动功率开关管Q12的信号，vi_ratio取反后与i₀或v₀通过信号比较器比较后产生驱动功率开关管Q10的信号。

在电动汽车向电网送电时，AC/DC双向变换器实现直流电向交流电的逆变，此时电感L1、L2作为输出滤波器，用以向电网提供正弦交流电压。如图5(b)所示，PWM控制电路1控制过程为：直流电压参考值V_dc，ref与直流电压实际值V_dc比较后，误差信号e1通过电压控制PI调节器产生直流电压信号V_dc，con，直流电压信号V_dc，con与电网电压相角波形相乘后产生充电交流电流相角参考值|i_L1，ref|，交流电流相角参考值|i_L1，ref|与充电交流电流相角实际值|i_L1|比较后误差信号e2通过电流控制PI调节器产生交流电流信号i_con，交流电流信号i_con与载波信号通过信号比较器比较后通过极性识别环节产生驱动信号，驱动功率开关管Q1-Q4，实现预定功能。

考虑电网频率稳定的电动汽车充电双向控制方法包括参与一次调频的电动汽车充电双向控制方法和参与二次调频的电动汽车充电双向控制方法。

参与一次调频的电动汽车充电双向控制方法包括以下步骤：

1)用户通过用户设置模块设置电动汽车充电基本信息，包括充电时间段、充电功率大小以及是否参与一次调频，其中充电功率不应大于充电桩允许的最大功率P_max。

2)判断用户是否参与一次调频。若用户选择不参与一次调频，则根据用户设置的直流充电功率P_do按照下式计算恒流充电阶段充电电流指令值，并将指令值发送到功率控制模块,其中V_bat为电池端电压实际值。恒压充电阶段电压指令值V_bat，ref选取为恒流充电阶段结束时的电压值。达到预定充电时间或充电电量后充电过程结束。

$i_{bat,ref}=\frac{P_{d0}}{V_{bat}}$

若用户选择参与一次调频则设置信号使得一次调频响应单元使能。

3)用户在选择参与一次调频后，可从三种一次调频响应模式中进行选择。模式1(P1)为以充电为主的一次调频响应模式，适用于电池电量低于50％的用户，模式2(P2)为以放电为主的一次调频响应模式，适用于电池电量高于80％的用户，模式3(P3)为以维持电量平衡为主的一次调频响应模式，适用于电池电量在50％-80％之间的用户。

4)一次调频控制系统中的信息发送单元将充电电动汽车参与一次调频的相关信息(充电时间、充电功率、调频参与模式)发送到电网调度机构，电网调度机构利用收集的电网发电、负荷及调频信息安排发电和调频计划。

5)频率测量模块接入充电桩所在低压电网，测量电网实时频率信息并将其发送到控制系统中的频率选取模块。频率选取模块判断电网频率变化是否处在预设范围50±0.1Hz内，若处于预设范围，则电动汽车按照用户设定的充电功率进行充电；当频率波动超出预设范围50±0.1Hz时，频率选取模块将电网频率传递给功率计算模块，用以计算响应频率变化的电动汽车充放电功率。

6)功率计算模块在未收到频率选取模块给出的电网频率值时，不输出控制信号，维持用户设定的电动汽车充电功率；在收到频率选取模块给出的电网频率值后，根据用户选择的调频参与模式(P1-P3)，计算响应电网频率变化的电动汽车充放电功率(充电为正，放电为负)，并计算动力电池输入电流指令值i_bat，ref或动力电池端电压指令值V_bat，ref(充电为正，放电为负)。

各调频模式图如图6所示。

模式1(P1)功率P_C计算公式为：

$P_C=\left\{\begin{array}{cc}\frac{P_{\max }}{2}\mathrm{\&Delta;}f+\frac{P_{\max }}{2}& \left(0.1Hz<\left|\mathrm{\&Delta;}f\right|\&le;1Hz\right)\\ P_{\max }& \left(\mathrm{\&Delta;}f>1Hz\right)\\ 0& \left(-1.05Hz<\mathrm{\&Delta;}f<-1Hz\right)\\ -P_{\max }& \left(\mathrm{\&Delta;}f<-1.05Hz\right)\end{array}\right.$

模式2(P2)功率P_D计算公式为：

$P_D=\left\{\begin{array}{cc}\frac{P_{\max }}{2}\mathrm{\&Delta;}f-\frac{P_{\max }}{2}& \left(0.1Hz<\left|\mathrm{\&Delta;}f\right|\&le;1Hz\right)\\ -P_{\max }& \left(\mathrm{\&Delta;}f<-1Hz\right)\\ 0& \left(1Hz<\mathrm{\&Delta;}f<1.05Hz\right)\\ P_{\max }& \left(\mathrm{\&Delta;}f>1.05Hz\right)\end{array}\right.$

模式3(P3)功率P_B计算公式为：

$P_B=\left\{\begin{array}{cc}{P}_{\max \mathrm{\&Delta;}f}& \left(0.1Hz<\left|\mathrm{\&Delta;}f\right|\&le;1Hz\right)\\ P_{\max }& \left(\mathrm{\&Delta;}f>1Hz\right)\\ -P_{\max }& \left(\mathrm{\&Delta;}f<-1Hz\right)\end{array}\right.$

其中Δf为电网实际频率f(单位Hz)与50Hz之差即

Δf＝f-50Hz

恒流充电阶段时，动力电池输入电流指令值i_bat，ref计算公式为：

$i_{bat,ref}=\frac{P}{V_{bat}}$

其中V_bat为电池端电压实际值，P根据用户选择的模式不同分别等于P_C、P_D和P_B。

恒压充电阶段时，动力电池输入电压指令值V_bat，ref计算公式为：

$V_{bat,ref}=\frac{P}{i_{bat}}$

其中i_bat为电池端电流实际值，P根据用户选择的模式不同分别等于P_C、P_D和P_B。

7)功率控制模块接收到功率计算模块给出的动力电池输入电流指令值i_bat，ref或动力电池端电压指令值V_bat，ref后，检测电网电压值V_grid、电网电流值i_L1，直流电容C1电压值V_dc以及动力电池电压值V_bat、动力电池电流值i_bat，按照前述PWM控制电路1、PWM控制电路2充放电控制过程以及双向直流充电桩充放电运行过程进行充放电功率的控制，实现电动汽车响应频率变化的充放电。

参与二次调频的电动汽车充电双向控制方法包括以下步骤：

1)用户通过用户设置模块设置电动汽车充电基本信息，包括充电时间段、充电功率大小以及是否参与二次调频，其中充电功率不应大于充电桩允许的最大功率。

2)判断用户是否参与二次调频。若用户选择不参与二次调频，则根据用户设置的直流充电功率P_d0按照下式计算恒流充电阶段充电电流指令值，并将指令值发送到功率控制模块,其中V_bat为电池端电压实际值。恒压充电阶段电压指令值V_bat，ref选取为恒流充电阶段结束时的电压值。达到预定充电时间或充电电量后充电过程结束。

$i_{bat,ref}=\frac{P_{d0}}{V_{bat}}$

若用户选择参与二次调频则设置信号使得二次调频响应单元使能。

3)参与二次调频的电动汽车集中充放电站站控系统与附近的二次调频机组控制系统共同承担二次调频任务。集中充放电站站控系统将参与二次调频的电动汽车调频信息汇总后通过通信线路发送到调频代理商，调频代理商汇总后传送至电网调度机构。调频代理商从电网调度机构获取调频指令后发送至二次调频机组控制系统和电动汽车集中充放电站站控系统，二次调频机组控制系统将自身可参与调频容量C_G和调频响应时间特性参数T_G发送给参与二次调频的集中充放电站站控系统，电动汽车集中充放电站站控系统和二次调频机组控制系统配合完成调频任务。

4)集中充放电站站控系统根据调频代理商给出的调频指令LFC，减去二次调频机组容量范围C_G内的容量再加上二次调频机组不能及时响应的调频容量，得出电动汽车应响应的调频信号LFC_EV。其中二次调频机组不能及时响应的容量，是通过高通滤波器对分配给二次调频机组的调频容量进行滤波得到的，T_G可取9s。为抑制由于LFC调频信号长期波动造成的动力电池SOC大范围偏移，分配给电动汽车的调频信号LFC_EV在信息收发模块进一步经过高通滤波器滤波后，作为电动汽车的实际调频信号指令，其中T_EV可取600s。电动汽车应响应的调频信号LEC_EV中由于电动汽车容量有限以及高通滤波器的滤波作用而不能响应的调频信号LFC_L，通过充电桩控制系统中的信息收发模块发送至集中充放电站站控系统，并反馈给电网调度机构。

5)电动汽车充电桩控制系统功率计算模块在收到调频指令后，根据预设的调频控制算法计算电动汽车充放电功率。为保护电动汽车动力电池，电池SOC在85±5％时参与二次调频。高通滤波器不能保证完全抑制由调频带来的SOC偏移。

如图7所示，功率计算模块检测当前SOC值并减去85％得到SOC偏差信号ΔSOC_AVG，通过延时环节(T可取10s)和PI控制器计算考虑SOC平衡的充放电容量偏移值ΔP_BIAS，ΔP_BIAS放电为正，充电为负，大小在±0.1C_EV(t)之间，C_EV(t)为当前可充放电容量。按照下式计算电动汽车可参与二次调频的容量(放电为正，充电为负)上下限：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{EV}^U\left(t\right)=C_{EV}\left(t\right)-\mathrm{\&Delta;}{P}_{BIAS}\left(t\right)\\ C_{EV}^L\left(t\right)=C_{EV}\left(t\right)+\mathrm{\&Delta;}{P}_{BIAS}\left(t\right)\end{array}\right.$

当动力电池SOC低于80％时可参与调频容量上限为0，当动力电池SOC高于90％时，可参与调频容量下限为0。

当调频指令信号给出的调频容量(从动力电池向外输出为正，从电网输入为负)在调频容量上限和下限之间时，按照调频指令给出的调频容量进行计算，当调频容量超出调频容量上限时将调频容量取为容量上限当调频容量超出调频容量下限时将调频容量取为容量下限

6)用所得调频容量除以调频指令信号给出的调频时间计算调频功率P_df，结合动力电池当前充电功率P_d0，计算动力电池输入电流指令值i_bat，ref(输入为正，输出为负)或动力电池端电压指令值V_bat，ref(输入为正，输出为负)。

恒流充电阶段时，动力电池输入电流指令值i_bat，ref计算公式为：

$i_{bat,ref}=\frac{P_{d0}-P_{df}}{V_{bat}}$

其中V_bat为电池端电压实际值。

恒压充电阶段时，动力电池输入电压指令值V_bat，ref计算公式为：

$V_{bat,ref}=\frac{P_{d0}-P_{df}}{i_{bat}}$

其中i_bat为电池端电流实际值。

7)功率控制模块接收到功率计算模块给出的动力电池输入电流指令值i_bat，ref或动力电池端电压指令值V_bat，ref后，检测电网电压值V_grid、电网电流值i_L1，直流电容C1电压值V_dc以及动力电池电压值V_bat、动力电池电流值i_bat，按照前述PWM控制电路1、PWM控制电路2充放电控制过程以及双向直流充电桩充放电运行过程进行充放电功率的控制，实现电动汽车响应频率变化的充放电。

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 (10)

1.一种考虑电网频率稳定的电动汽车充电双向控制系统，其特征是，包括：一次调频控制系统和二次调频控制系统；

所述一次调频控制系统安装于分散的电动汽车直流充电桩或者充放电站内的充电桩；所述二次调频控制系统安装于参与二次调频的电动汽车集中充放电站；

所述二次调频控制系统包括集中充放电站站控系统和电动汽车充电桩控制系统；通过集中充放电站站控系统实现电动汽车充电桩控制系统与调频代理商的双向通信，同时接收二次调频机组控制系统的调频信息；

调频代理商集中若干电动汽车参与电网调频服务，接受电网二次调频指令信息并分别发送到二次调频机组控制系统和集中充放电站站控系统。

2.如权利要求1所述的一种考虑电网频率稳定的电动汽车充电双向控制系统，其特征是，所述一次调频控制系统的结构包括：用户设置模块，信息发送模块，频率测量模块，频率选取模块，功率计算模块以及充电桩功率控制模块；

所述用户设置模块与充电桩功率控制模块和信息发送模块分别通信，频率测量模块接入充电所在的低压交流电网，频率测量模块还与频率选取模块、功率计算模块和功率控制模块依次串联连接。

3.如权利要求1所述的一种考虑电网频率稳定的电动汽车充电双向控制系统，其特征是，所述集中充放电站站控系统包括依次连接的站控信息收发模块和调频信息计算模块。

4.如权利要求1所述的一种考虑电网频率稳定的电动汽车充电双向控制系统，其特征是，所述充电桩控制系统包括：用户设置模块、信息收发模块、功率计算模块以及充电桩功率控制模块；

用户设置模块通过内部通信线路分别与充电桩功率控制模块和信息收发模块连接，信息收发模块与集中充放电站站控系统通信，信息收发模块接收集中充放电站站控系统发送的调频指令并与功率计算模块相连，功率计算模块与功率控制模块相连。

5.如权利要求1-4所述的任一种考虑电网频率稳定的电动汽车充电双向控制系统，其特征是，所用的电动汽车充电桩为双向直流充电桩，具体包括：交流输入电源、全控型双向AC/DC变换器、全控双向隔离型DC/DC变换器以及用于滤波、稳压的电感L1、电感L2、电容C1和电容C2；

所述全控型双向AC/DC变换器的交流侧通过电感L1与交流输入电源连接，全控型双向AC/DC变换器的直流侧并联直流滤波电容C1；

所述全控双向隔离型DC/DC变换器包括：高频变压器两端分别连接第一H形桥臂和第二H形桥臂；全控双向隔离型DC/DC变换器靠近交流电源一侧的两端通过电感L2分别接入第一H形桥臂的上臂和下臂之间；全控双向隔离型DC/DC变换器靠近电动汽车动力电池一侧的两端分别接入第二H形桥臂的上臂和下臂之间；所述第二H形桥臂并联直流滤波电容C2后接入动力电池。

6.如权利要求5所述的一种考虑电网频率稳定的电动汽车充电双向控制系统，其特征是，所述充电桩功率控制模块包括第一PWM控制电路和第二PWM控制电路；

第一PWM控制电路输入直流滤波电容C1处直流电压参考值、直流电压实际值以及充电桩接入端口交流电流、交流电压，输出全控型双向AC/DC变换器功率开关管的开关控制信号；

第二PWM控制电路恒流充放电阶段输入充电动力电池输入电流指令值、输入电流实际值，恒压充放电阶段输入充电动力电池端电压指令值、端电压实际值；输出全控型DC/DC变换器功率开关管的开关控制信号；

第一PWM控制电路通过对输入信号的PWM控制实现交直流变换、功率因数控制、交流电压和电流控制的功能；第二PWM控制电路通过对输入信号的移相PWM控制技术实现直流电压变换并控制动力电池充放电功率。

7.如权利要求6所述的一种考虑电网频率稳定的电动汽车充电双向控制系统，其特征是，在电网向电动汽车送电时，

对于全控型双向AC/DC变换器，第一PWM控制电路的控制过程为：直流电压参考值V_dc,ref与直流电压实际值V_dc比较后，误差信号e1通过电压控制PI调节器产生直流电压信号V_dc,con，直流电压信号V_dc,con与电网电压相角波形相乘后产生充电交流电流相角参考值|i_L1,ref|，交流电流相角参考值|i_L1,ref|与充电交流电流相角实际值|i_L1|比较后误差信号e2通过电流控制PI调节器产生交流电流信号i_con，交流电流信号i_con与载波信号通过信号比较器比较后通过极性识别环节产生驱动信号，驱动功率开关管Q1-Q4，实现预定功能；

对于全控型DC/DC变换器，第二PWM控制电路的控制过程为：电流或电压指令值与动力电池电流或电压实际值比较，产生的误差信号e通过PI调节器后与常数相乘产生电流参考信号i_con或电压参考信号V_con，参考信号与载波信号V_car作和后经正弦变换产生参考信号i_θ(用于恒流充电控制)或v_θ(用于恒压充电控制)；载波信号正弦处理后产生参考信号i₀(用于恒流充电控制)或v₀(用于恒压充电控制)；开关管转换过程死区时间与转换周期之比vi_ratio与i_θ或v_θ通过信号比较器比较后产生驱动功率开关管Q7的信号，与i₀或v₀通过信号比较器比较后生驱动功率开关管Q5的信号；vi_ratio取反后与i_θ或v_θ通过信号比较器比较后产生驱动功率开关管Q8的信号，vi_ratio取反后与i₀或v₀通过信号比较器比较后产生驱动功率开关管Q6的信号。

8.如权利要求6所述的一种考虑电网频率稳定的电动汽车充电双向控制系统，其特征是，在电动汽车向电网送电时，

对于全控型双向AC/DC变换器，第一PWM控制电路的控制过程为：直流电压参考值V_dc,ref与直流电压实际值比较后，误差信号通过PI调节器产生直流电压信号V_dc,con，直流电压信号V_dc,con与电网电压相角波形相乘后产生充电交流电流相角参考值|i_L1,ref|，交流电流相角参考值|i_L1,ref|与充电交流电流相角实际值比较后误差信号通过PI调节器产生交流电流信号i_con，交流电流信号i_con与载波信号通过信号比较器比较后通过极性识别环节产生驱动信号，驱动功率开关管，实现预定功能；

对于全控型DC/DC变换器，第二PWM控制电路的控制过程为：功率控制模块在接收到功率计算模块给出的动力电池输入电流指令值i_bat,ref或动力电池端电压指令值V_bat,ref后，电流或电压指令值与动力电池电流或电压实际值比较，产生的误差信号通过PI调节器后与常数相乘产生电流或电压参考信号，参考信号与载波信号作和后经正弦变换产生参考信号i_θ(用于恒流放电控制)或v_θ(用于恒压放电控制)；载波信号正弦处理后产生参考信号i₀(用于恒流放电控制)或v₀(用于恒压放电控制)；开关管转换过程死区时间与转换周期之比vi_ratio与i_θ或v_θ通过信号比较器比较后产生驱动功率开关管Q11的信号，与i₀或v₀通过信号比较器比较后生驱动功率开关管Q9的信号；vi_ratio取反后与i_θ或v_θ通过信号比较器比较后产生驱动功率开关管Q12的信号，vi_ratio取反后与i₀或v₀通过信号比较器比较后产生驱动功率开关管Q10的信号。

9.一种如权利要求2或4所述的考虑电网频率稳定的电动汽车充电双向控制系统的控制方法，包括：对一次调频控制系统的控制和对二次调频控制系统的控制；其特征是，所述一次调频控制系统的控制方法包括以下步骤：

(1)设置电动汽车充电基本信息，包括充电时间段、充电功率大小以及是否参与一次调频，其中充电功率不大于充电桩允许的最大功率；

(2)判断是否参与一次调频；

若不参与一次调频，则计算恒流充电阶段充电电流指令值，并将指令值发送到一次调频控制系统的充电桩功率控制模块；达到预定充电时间或充电电量后充电过程结束；

若参与一次调频，则充电桩功率控制模块接收一次调频功率控制指令，并通过驱动电路控制双向充电桩功率开关管；

(3)根据电池电量，选择一次调频响应模式；所述一次调频响应模式包括：以充电为主的一次调频响应模式，以放电为主的一次调频响应模式和以维持电量平衡为主的一次调频响应模式；

(4)一次调频控制系统的信息发送模块将充电电动汽车参与一次调频的充电时间、充电功率、调频参与模式相关信息发送到电网调度机构，电网调度机构根据接收到的信息制定调频及发电计划；

(5)一次调频控制系统测量电网实时频率信息并判断电网频率变化是否处在预设范围内，若处于预设范围，则电动汽车按照用户设定的充电功率进行充电；若频率波动超出预设范围，则计算响应频率变化的电动汽车充放电功率以及动力电池输入电流指令值或动力电池端电压指令值；

(6)一次调频控制系统的充电桩功率控制模块根据步骤(5)中计算的数值，结合充电动力电池的电压电流参数，对电动汽车进行充放电功率的控制，实现电动汽车响应频率变化的充放电。

10.如权利要求9所述的一种考虑电网频率稳定的电动汽车充电双向控制系统的控制方法，其特征是，所述二次调频控制系统的控制方法包括以下步骤：

(1)设置电动汽车充电基本信息，包括充电时间段、充电功率大小以及是否参与一次调频，其中充电功率不大于充电桩允许的最大功率；

(2)判断是否参与二次调频；

若不参与二次调频，则计算恒流充电阶段充电电流指令值，并将指令值发送到二次调频控制系统的充电桩功率控制模块；达到预定充电时间或充电电量后充电过程结束；

(3)参与二次调频的电动汽车集中充放电站站控系统将参与二次调频的电动汽车调频信息汇总后发送到调频代理商，调频代理商汇总后传送至电网调度机构；

调频代理商从电网调度机构获取调频指令后发送至二次调频机组控制系统和电动汽车集中充放电站站控系统，二次调频机组控制系统将自身可参与调频容量和调频响应时间特性参数发送给参与二次调频的集中充放电站站控系统；

(4)电动汽车集中充放电站站控系统根据调频代理商发送的调频指令与二次调频机组的调频容量，得出电动汽车实际响应的调频信号，并将所述调频信号传送至充电桩控制系统；

(5)充电桩控制系统收到调频指令后，根据预设的调频控制算法计算电动汽车可参与二次调频的容量；

(6)根据二次调频的容量以及调频指令信号给出的调频时间计算调频功率，结合动力电池当前充电功率，计算动力电池输入电流指令值或动力电池端电压指令值；

(7)二次调频控制系统的充电桩功率控制模块根据步骤(6)中计算的数值，结合直流充电桩的电压电流参数，对电动汽车进行充放电功率的控制，实现电动汽车响应频率变化的充放电。