CN108879893A - 一种基于准pr控制的电动汽车虚拟同步电机快充方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于准PR控制的电动汽车虚拟同步电机快充方法，属电动汽车领域。其快充接口的电路包括AC/DC整流电路和高频隔离型DC/DC变换器两部分，其电网侧的AC/DC整流电路采用基于准PR控制的虚拟同步电机控制策略，直流侧的高频隔离型DC/DC变换器配置直流变压控制策略；将虚拟同步电机技术和准PR控制引入到AC/DC整流电路的控制策略中。在有效抑制谐波，较少电动汽车充电对电网电能质量影响的同时，使得快充接口的外特性类似于同步电机，能够响应电网的电压和频率异常事件，为电网提供一定的电压和频率支撑，实现与电网的友好交互提出了相应的直流变压控制策略，能够提供满足电动汽车快速充电要求的稳定电压和功率，增强了快充接口的输出跟踪能力。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车领域，尤其涉及一种用于电动汽车的充电方法。
背景技术
随着大气污染日益严重，以及全球能源危机不断加深，节能减排的重要性已经得到广泛认可，逐渐成为汽车技术研发的主攻目标。
近年来，由于电池、可再生能源等技术的不断进步，电动汽车已经成为了未来汽车工业发展的重要方向。
但是电动汽车大规模地入网充电，将对配电网的负荷、电能质量、规划、建设等带来很大影响，主要包括：1)负荷的增长。若大量电动汽车集中在负荷高峰期充电，将进一步加剧电网负荷峰谷差，加重电力系统的负担。2)电网运行优化控制难度的增加。电动汽车充电负荷具有较大的随机性，这将加大电网控制的难度。3)影响电能质量。电动汽车充电负荷属于非线性负荷，所使用的电力电子设备将产生一定的谐波，引起电能质量问题。4)对配电网规划提出新的要求。在配电网中增加众多充电设施以及大量电动汽车充电，传统的配电网规划准则可能无法适用于电动汽车大规模接入的情景。
因而，支持电动汽车快充功能的配电网智能接口是实现电动汽车与配电网“友好”互联的重要桥梁和纽带，其一方面可以作为电动汽车快速补充电能的关键设备；另一方面作为电动汽车与电网的接口，可隔离电动汽车充电对配电网造成的影响。
目前，国内外在电动汽车充电方面的相关技术，多致力于解决电动汽车接入对电网电能质量的影响以及电动汽车的充放电控制。主要技术包括为电动汽车充电设备配置相应的有源滤波装置、电动汽车有序充电控制方法和电动汽车与电网互动(vehicle togrid，V2G)控制策略等。而针对电动汽车充电接口无法满足电网需求侧响应的要求，不能很好地响应电网的电压和频率异常等问题，研究仍然较少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于准PR控制的电动汽车虚拟同步电机快充方法。其首先设计电动汽车快充接口的电路，包括AC/DC整流电路和高频隔离型DC/DC变换器两部分，并分别提出可靠的控制策略；将准PR控制和虚拟同步电机技术引入到整流电路的控制策略中，提高快充接口在并网点处的惯性和阻尼，以减少谐波注入电网，提高快充接口的惯性和阻尼，对电网的电压和频率异常做出响应，增强了电网运行的稳定性。
本发明的技术方案是：提供一种基于准PR控制的电动汽车虚拟同步电机快充方法，包括电动汽车快充接口电路及其控制策略，其特征是：
所述的电动汽车快充接口电路，包括AC/DC整流电路和高频隔离型DC/DC变换器两部分；
其中，电网侧的AC/DC整流电路采用三相桥式可控整流电路输出稳定的600V直流电压，再经过直流侧的高频隔离型大功率DC/DC变换器将直流电压转换为适合电动汽车的48V充电电压，通过LC滤波电路后供给电池负荷；
所述的基于准PR控制的电动汽车虚拟同步电机快充方法，采用电流控制型VSM技术，辅以同步发电机一次调频和一次调压环节，实现整流电路的控制策略；
其电网侧的AC/DC整流电路采用基于准PR控制的虚拟同步电机控制策略，直流侧的高频隔离型DC/DC变换器配置直流变压控制策略；
所述的基于准PR控制的电动汽车虚拟同步电机快充方法，将虚拟同步电机技术和准PR控制引入到AC/DC整流电路的控制策略中。
进一步的，所述的q轴分量调节通过模拟励磁控制系统得到虚拟电机的电势Ef，从而调节无功输出和机端电压；
其虚拟同步电机的电势Ef由三部分组成：
Ef＝E0+ΔEQ+ΔEU
式中，E0是虚拟同步电机的空载电势；ΔEQ是因无功调节部分带来的电势变化；ΔEU是因虚拟同步电机机端电压调节所带来的电势变化。其中ΔEQ和ΔEU的表达式为：
式中，Qref是整流电路的无功功率指定值，Q＝uq·id-ud·iq是并网处瞬时无功功率值；Uref是机端线电压指定值，U是机端线电压瞬时值；kq是无功调节系数，ku是虚拟同步电机机端电压调节系数，均是比例调节系数。
所述的基于准PR控制的电动汽车虚拟同步电机快充方法，通过Qref、Q、Uref、U和E0得到电势Ef，进而得到三相电势的矢量。
进一步的，所述的d轴分量调节用于调整快充接口从电网吸收的有功功率；
虚拟同步电机的d轴调节的数学模型如下：
式中，T为实际转矩，T0为参考转矩，由有功功率指定值Pref和ω决定，其中Pref由dq轴标准电压和标准电流生成；ΔT为转矩增量，即由频率变化导致的机械转矩偏差。
更进一步的，在所述的电动汽车虚拟同步电机快充方法中，采用准PR控制来有效应对频率偏移，其由两部分组成：
1)P控制，即比例控制，由一比例参数组成；
2)R控制，即谐振控制，由谐振环节调节系数、可调参数和基波角频率组成；
由于加入了谐振环节，既能够无差跟踪，也可以利用谐振点来增大固定频率的增益，从而有效应对电网频率发生偏移时带来的扰动，增强了控制系统的稳定性，提高了其抗干扰能力。
与现有技术比较，本发明的优点是：
1.本技术方案提出了一种基于准PR控制的电动汽车虚拟同步电机快充方法，该方案的接口电路包括可控整流电路和高频隔离型DC/DC变换器，其中电网侧的AC/DC整流电路采用基于准PR控制的虚拟同步电机控制策略，直流侧的高频隔离型DC/DC变换器配置直流变压控制策略；
2.将虚拟同步电机技术和准PR控制引入到AC/DC整流电路的控制策略中，提出基于准PR控制的虚拟同步电机控制策略。该策略在有效抑制谐波，较少电动汽车充电对电网电能质量影响的同时，使得快充接口的外特性类似于同步电机，能够响应电网的电压和频率异常事件，为电网提供一定的电压和频率支撑，实现与电网的友好交互；
3.采用IGBT驱动的高频隔离型DC/DC变换器，实现了充电负荷与电网之间的电气隔离。提出了相应的直流变压控制策略，能够提供满足电动汽车快速充电要求的稳定电压和功率，增强了快充接口的输出跟踪能力。
附图说明
图1是本发明的电动汽车快充接口电路示意图；
图2a是本发明PI控制伯德图；
图2b是本发明准PR控制伯德图；
图3是本发明基于准PR控制的虚拟同步电机控制策略示意图；
图4是本发明直流变压控制策略示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
1、电动汽车快充接口方案：
电动汽车快速充电要求最大能够提供400A、240kW的充电电流和功率，根据SAEJ1772标准，本技术方案采用直流等级对电动汽车充电，快充接口通过整流电路接入电网。
同时，标准规定直流等级充电设备的最低输入母线电压为600V，远高于电池电压，可见为了满足快充电路中直流母线与电动汽车电池之间的电压匹配，需要在两者之间引入大功率、宽输出电压范围的DC/DC变换器。
因此，本技术方案中的电动汽车快充接口电路采用三相桥式可控整流电路输出稳定的600V直流电压，再经过大功率的DC/DC变换器将直流电压转换为适合电动汽车的48V充电电压，通过LC滤波电路后供给电动汽车，具体电路结构如图1中所示。
其中，AC/DC整流电路采用基于准PR控制的虚拟同步电机控制策略，并配合DC/DC变换器相应的直流变压控制策略，在满足电动汽车快速充电需求的同时，在并网点处具有良好的外特性，能够满足电网的需求侧响应，实现与电网的有效交互。
2、基于准PR控制的虚拟同步电机控制策略：
AC/DC整流电路通过并网点与电网直接相连，其控制策略能够影响电动汽车快充接口的外部特性。本技术方案中引入了虚拟同步电机技术和准PR控制，在此基础上实现对整流电路的控制系统。
2.1、虚拟同步电机技术：
同步电机是指转子转速与定子产生的旋转磁场以相同速度旋转的电机，具有自建电压、大惯性、高输出阻抗、自动调节转速和自同步能力等优点，被作为主要的发电单元。引入虚拟同步电机技术的控制策略，即对快充接口的整流电路加入适当的控制算法并配备相应控制环节，使得从并网点看，快充接口的外特性能够模拟或部分模拟同步发电机的电压/频率控制特性，从而自适应地响应电网的电压/频率扰动。
本技术方案采用电流控制型VSM技术，辅以同步发电机一次调频和一次调压环节，实现整流电路的控制策略。为了方便控制策略的实现，采用Park变换，在同步旋转dq坐标系下建立其数学模型。
在dq坐标系中，同步电机的有功功率和无功功率可表示为：
式中，P和Q分别是同步电机的有功功率和无功功率。Ud、Uq和Id、Iq分别是机端电压旋转矢量和电流旋转矢量的d轴和q轴分量。
将d轴定向于机端电压旋转矢量，则有：
式中，Up是机端电压旋转矢量的幅值。则式(1)可以化为：
因此，可以通过q轴调节来改变电机无功功率，通过d轴调节来改变电机有功功率。
设同步电机为隐极机且极对数为1，则其机械方程如下：
式中，ω是同步电机的机械角速度，ω0是电网同步角度，单位rad/s；J是同步电机的转动惯量，单位kg·m2；Te、Tm、Td分别是同步电机的电磁转矩、机械转矩和阻尼转矩，单位N·m；D是阻尼系数，单位N·m·s/rad。其中，电磁转矩Te：
式中，edq0是同步电机的电势。
同步电机的电磁方程表达式为：
式中，R和L分别是虚拟同步电机的定子电阻和电感；udq是虚拟同步电机的机端电压。
在虚拟同步电机的基础上，控制策略要根据电网的电压和频率调整快充接口从电网获取的无功功率和有功功率，因此需要对其q轴分量和d轴分量进行调节。
1)q轴分量调节
同步电机的无功输出和机端电压通过其励磁控制系统进行调节。因此，q轴分量调节通过模拟励磁控制系统得到虚拟电机的电势Ef，从而调节无功输出和机端电压。虚拟同步电机的电势Ef由三部分组成：
Ef＝E0+ΔEQ+ΔEU (7)
式中，E0是虚拟同步电机的空载电势；ΔEQ是因无功调节部分带来的电势变化；ΔEU是因虚拟同步电机机端电压调节所带来的电势变化。其中ΔEQ和ΔEU的表达式为：
式中，Qref是整流电路的无功功率指定值，Q＝uq·id-ud·iq是并网处瞬时无功功率值；Uref是机端线电压指定值，U是机端线电压瞬时值；kq是无功调节系数，ku是虚拟同步电机机端电压调节系数，均是比例调节系数。
因此，可以通过Qref、Q、Uref、U和E0得到电势Ef，进而得到三相电势的矢量。
2)d轴分量调节
d轴分量调节用于调整快充接口从电网吸收的有功功率。同步发电机在恒功率状态下时，其机械转矩与电网角频率成反比，即：
T0·ω＝P (9)
当同步发电机受到扰动时，电网频率会发生变化，机械转矩由于阻尼作用而发生改变。电网频率越高，电机转速越快，则由于空气摩擦和阻尼作用等机械阻尼转矩也会相应变大。
基于上述特性，虚拟同步电机的d轴调节的数学模型如下：
式中，T为实际转矩，T0为参考转矩，由有功功率指定值Pref和ω决定，其中Pref由式(5)的dq轴标准电压和标准电流生成；ΔT为转矩增量，即由频率变化导致的机械转矩偏差。
2.2、准PR控制技术：
由式(6)生成的标准电流经Park逆变换得到三相电流后，需要据此触发晶闸管来实现整流电路的驱动。传统触发方式为PI控制，但当电网遭受扰动时，PI控制对频率偏移的抗干扰能力较差，因此本技术方案采用准PR控制技术。
准PR控制可以有效应对频率偏移，其由两部分组成：
1)P控制，即比例控制，由一比例参数组成；
2)R控制，即谐振控制，由谐振环节调节系数、可调参数和基波角频率组成。由于加入了谐振环节，既能够无差跟踪，也可以利用谐振点来增大固定频率(此处选择电网的基波频率)的增益，从而有效应对电网频率发生偏移时带来的扰动，增强控制系统的稳定性，提高其抗干扰能力。
准PR控制的传递函数模型如下：
中，Kp是P调节系数，Kr是谐振环节调节系数，ωc是可调参数，ω0是基波角频率，即314rad/s。
为了对比分析PI控制和准PR控制的性能，取PI控制的传递函数如式(12)。
设置准PR控制的参数Kp＝0.5，Kr＝13，ωc＝1，得到PI控制和准PR控制的传递函数伯德图如图2所示。
虽然PI控制在电网基波频率处有着较高的增益和近乎180°的相角裕度，但是由于PI控制对频率没有选择性，当电网受到故障或干扰时，电网频率发生一定偏移，PI控制无法识别，将会在错误的频率上带来较大的增益效果，不具备稳定性和抗干扰能力，不利于电网频率恢复基准值。因此，准PR控制更适用于触发整流晶闸管。
2.3、基于准PR控制的虚拟同步电机控制策略：
根据上述数学模型，建立整流电路的控制策略模型，如图3所示。
其中，虚拟同步电机控制包括：q轴调节模块、d轴调节模块、电机机械方程模块、电机电磁方程模块，并通过准PR控制输出晶闸管的控制命令。
需要注意的是，图3中的正弦环节，需要根据三相顺序做相应移位，已得到电机三相电势的矢量。由于调频调压环节的加入，整个交流接口控制模型呈现出良好的同步电机特性，具有一定的机械惯性和阻尼作用，从而满足电网的需求侧响应，具有良好的稳定性和抗干扰性。
3、直流变压控制策略：
AC/DC整流电路的输出电压为600V，远大于电动汽车的48V充电电压，故需要经过大功率的DC/DC变换器对电动汽车进行快速充电。因此，直流变压的控制目标是使DC/DC变换器输出电压跟随指定充电电压，并且尽可能地提供较大的充电电流，从而实现对电动汽车的快速充电，缩短充电时间。
DC/DC变换器采用电压外环电流内环控制系统。其中外环电压是PI调节，将副边侧电压锁定在48V，保证充电电压稳定，从而延长电动汽车电池寿命；内环电流是P调节，使得充电时电流可以工作在允许的最大值，相应的控制模型如图4所示。其中，充电电压指定值USet＝48V，E0是DC/DC变换器的输出电压；I0是电动汽车的充电电流；Ds是DC/DC变换器中晶闸管的占空比。
由于本发明技术方案中的快充接口采用可控整流电路，并配置基于准PR控制的虚拟同步电机控制策略，能够有效抑制谐波，电流总畸变率低，降低了对电网电能质量的影响。
本发明的技术方案中采用基于准PR控制的虚拟同步电机控制策略，提高了充电接口的惯性和阻尼，具有类似同步电机的需求侧响应，能够抵抗电网的频率偏移，有利于电网运行的安全稳定。
本发明技术方案中的IGBT驱动的高频隔离型DC/DC变换器，相比于传统工频变压器体积明显减小。采用直流变压控制策略，能够跟踪电压指定值，满足电动汽车的快速充电需求，并且充电电压稳定，有利于延长电池的使用寿命。
本发明可广泛用于电动汽车的快速充电领域。
Claims (5)
1.一种基于准PR控制的电动汽车虚拟同步电机快充方法，包括电动汽车快充接口电路及其控制策略，其特征是：
所述的电动汽车快充接口电路，包括AC/DC整流电路和高频隔离型DC/DC变换器两部分；
其中，电网侧的AC/DC整流电路采用三相桥式可控整流电路输出稳定的600V直流电压，再经过直流侧的高频隔离型大功率DC/DC变换器将直流电压转换为适合电动汽车的48V充电电压，通过LC滤波电路后供给电池负荷；
所述的基于准PR控制的电动汽车虚拟同步电机快充方法，采用电流控制型VSM技术，辅以同步发电机一次调频和一次调压环节，实现整流电路的控制策略；
其电网侧的AC/DC整流电路采用基于准PR控制的虚拟同步电机控制策略，直流侧的高频隔离型DC/DC变换器配置直流变压控制策略；
所述的基于准PR控制的电动汽车虚拟同步电机快充方法，将虚拟同步电机技术和准PR控制引入到AC/DC整流电路的控制策略中。
2.按照权利要求1所述的基于准PR控制的电动汽车虚拟同步电机快充方法，其特征是所述的基于准PR控制的电动汽车虚拟同步电机快充方法，采用Park变换，在同步旋转dq坐标系下建立其数学模型；通过q轴调节来改变电机无功功率，通过d轴调节来改变电机有功功率。
3.按照权利要求2所述的基于准PR控制的电动汽车虚拟同步电机快充方法，其特征是所述的q轴分量调节通过模拟励磁控制系统得到虚拟电机的电势Ef，从而调节无功输出和机端电压；
其虚拟同步电机的电势Ef由三部分组成：
Ef＝E0+ΔEQ+ΔEU
式中，E0是虚拟同步电机的空载电势；ΔEQ是因无功调节部分带来的电势变化；ΔEU是因虚拟同步电机机端电压调节所带来的电势变化。其中ΔEQ和ΔEU的表达式为：
式中，Qref是整流电路的无功功率指定值，Q＝uq·id-ud·iq是并网处瞬时无功功率值；Uref是机端线电压指定值，U是机端线电压瞬时值；kq是无功调节系数，ku是虚拟同步电机机端电压调节系数，均是比例调节系数。
所述的基于准PR控制的电动汽车虚拟同步电机快充方法，通过Qref、Q、Uref、U和E0得到电势Ef，进而得到三相电势的矢量。
4.按照权利要求2所述的基于准PR控制的电动汽车虚拟同步电机快充方法，其特征是所述的d轴分量调节用于调整快充接口从电网吸收的有功功率；
虚拟同步电机的d轴调节的数学模型如下：
式中，T为实际转矩，T0为参考转矩，由有功功率指定值Pref和ω决定，其中Pref由dq轴标准电压和标准电流生成；ΔT为转矩增量，即由频率变化导致的机械转矩偏差。
5.按照权利要求1所述的基于准PR控制的电动汽车虚拟同步电机快充方法，其特征是在所述的电动汽车虚拟同步电机快充方法中，采用准PR控制来有效应对频率偏移，其由两部分组成：
1)P控制，即比例控制，由一比例参数组成；
2)R控制，即谐振控制，由谐振环节调节系数、可调参数和基波角频率组成；
由于加入了谐振环节，既能够无差跟踪，也可以利用谐振点来增大固定频率的增益，从而有效应对电网频率发生偏移时带来的扰动，增强了控制系统的稳定性，提高了其抗干扰能力。
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2017
- 2017-09-29 CN CN201710910019.3A patent/CN108879893A/zh active Pending
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