CN110401207A - 一种基于分数阶微积分的电动汽车微电网充放电调频方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于分数阶微积分的电动汽车微电网调频方法，所述电动汽车微电网将交流电网接入的电能经双向AC/DC变换器和DC/DC变换器后提供给动力电池组，SVPWM控制产生的脉冲信号作为双向AC/DC变换器脉冲信号。分数阶控制相比于传统整数阶控制，可调节域度更大，控制更加灵活。分数阶模型则是考虑到实际电感电容分数阶特性，基于分数阶微积分理论建立的等效电路模型相比于常规电路模型更接近实际系统特性；将分数阶控制器引入AC/DC电路中的电流前馈解耦控制中，结合电动汽车充放电频率特性，实现对微电网频率的调节，提高了系统的鲁棒性，并且，通过对控制参数λ的调节，提高了系统频率稳定的快速性。

Description

一种基于分数阶微积分的电动汽车微电网充放电调频方法
技术领域
本发明涉及一种基于分数阶微积分的电动汽车充放电调频方法，涉及AC/DC换流器与DC/DC换流器控制技术。
背景技术
随着全球性化石能源紧缺与环境问题的不断恶化，微电网技术以及电动汽车产业得到极大的发展。作为一种新兴的发配电系统，微电网将分布式电源(DistributedGeneration)、储能装置、各类负荷以及监控保护装置进行了有机整合。作为一种移动储能设备，电动汽车可以当作微电网独立运行时的备用容量。此外，电动汽车入网(V2G)技术参与微电网调频，为用户与微电网带来经济效益的同时，也促进可再生能源的消纳，提高微电网频率稳定性，还能减少微电网建设和运营成本。
由于分数阶控制相比于整数阶能够实现更加灵活的控制效果；相比于传统整数阶PID控制器，分数阶控制器(PIλDμ)可调节域度更大，其在众多领域有着广泛应用。
近年来的电感电容元件数学建模研究发现，在实际工程中电感、电容元件均是基于分数阶形态存在。基于分数阶微积分理论建立的等效电路模型相对于整数阶系统模型表现出的特性更加接近实际系统特性。而前期的大量文献对分布式电源电力电子接口控制策略的研究均基于整数阶电感、电容模型开展，其仿真模型准确度的欠缺会导致应用其控制策略得到的仿真分析结果距离实际的设备运行状况亦存在一定差距。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于分数阶微积分的电动汽车充放电调频方法，能够在保证仿真基础电路的准确性基础上，满足电动汽车充放电需求，同时也能够提高微电网频率稳定性。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于分数阶微积分的电动汽车微电网调频方法，所述电动汽车微电网将交流电网接入的电能经双向AC/DC变换器和DC/DC变换器后提供给动力电池组，SVPWM控制产生的脉冲信号作为双向AC/DC变换器脉冲信号；所述AC/DC变换器采用在dq坐标系下的电流前馈解耦控制方法，其中电压外环采用分数阶比例积分控制器；所述DC/DC变换器中的电容和电感采用分数阶模型拟合，通过两级调频策略调节电动汽车充放电频率特性。
具体的，所述AC/DC变换器中，电流内环反馈控制实现功率因数校正，电压外环为SVPWM控制提供参考电压，电压外环采用分数阶比例积分控制器，分数阶比例积分控制器的传递函数G(s)为：
其中：Kp为比例系数，Ki为积分系数，λ为积分阶数(取值范围为0～2)，s为变量。相对于传统的比例积分控制器，本发明的控制器增加了积分阶数，使得控制器更加灵活，控制效果更佳。
所述分数阶比例积分控制器的频域特性G(jω)为：
其中：ω为角频率，j为虚数单位。
所述分数阶比例积分控制器的对数幅频特性L(ω)为：
所述分数阶比例积分控制器的相频特性为：
具体的，所述SVPWM控制的过程为：通过坐标变换将交流电网接入的交流电流ia、ib和ic变换为电流id和iq；通过电压外环将直流侧电压的参考值Vref与实测值Vdc的差经过PIλ调节后作为d轴电流id的参考值idref；当功率因数为1时，q轴电流iq的参考值iqref为0；基于idref和iqref分别对id和iq进行调节，得到系统所需的电压指令值，最后通过空间脉宽调制(SVPWM)算法获得控制IGBT通断的脉冲信号；
为了保证直流侧电压恒定，SVPWM控制过程中采用了在dq坐标系下的电流前馈解耦控制方法，使用电流内环反馈控制校正整流变换的功率因数，解耦后可以对d、q轴上的变量进行独立控制；解耦方程为：
其中：Vd和Vq为dq轴电压，ω为角频率，Ls为电网侧电感，ud和uq为dq轴测量电压。
具体的，所述DC/DC变换器中的电容C0和电感L0采用分数阶模型拟合，即在Simulink环境下，采用分抗链及Oustaloup有理逼近方法拟合电容和电感，具体为：
在(ωb,ωh)频率段内实现微积分算子sα的有理逼近，其中Oustaloup滤波器的传递函数GO(s)为：
其中：ωb和ωh为频率上下限，α为阶数，N取正整数；ωk'和ωk分别为分子分母上的系数，其中
对Oustaloup滤波器的传递函数GO(s)使用matlab进行部分分式展开，将得到的展开式使用分抗链的形式进行表达，得到电容C0和电感L0。
具体的，采用两级调频策略调节电动汽车充放电频率特性；
一级调频中，考虑到电动汽车动力电池本身特性以及用户出行需求，在调频控制中设有频率调整死区fdeath以及充/放电功率上、下限Pmax、Pmin，表征调频控制原理的调频下垂系数Kpf为：
其中：P为实际系统有功，Pset为充/放电功率参考值，ΔP＝P-Pset；fn为系统额定频率(一般取50Hz)，f为系统实际频率，Δf＝fn-f；
为做到对频率的无差调节，在充放电策略中加入第二级调频，通过计算功率修正量ΔP2来补偿系统功率缺额；使电动汽车能够迅速响应系统频率偏差，同时减小或消除稳态频率偏差，当频率调节后的最终频率达到系统额定频率fn时，则充/放电功率参考值Pset减小ΔP2，则：
ΔP2＝Kpf(fn-fdeath-f)+(KG+KL)(fn-f)
P′set＝Pset-ΔP2
其中：KG为电源调频下垂系数，KL为综合负荷调频下垂系数，P′set为修正后的充/放电功率参考值；
计算充/放电功率输出参考值P*为：
根据充/放电功率输出参考值P*调节电动汽车充放电频率特性。
首先初步计算充/放电功率输出参考值为P′set和ΔP1指令值之和，然后判断P′set+ΔP1是否越限，将P′set+ΔP1别与充/放电功率上下限(Pmax和Pmin)对比，从而得到最终的充/放电功率输出参考值P*。
有益效果：本发明提供的基于分数阶微积分的电动汽车微电网调频方法，相对于现有技术，存在如下优势：
1、引入分数阶PIλ控制器后，可调节域度更大，控制更加灵活；
2、引入分数阶模型后，基于分数阶微积分理论建立的等效电路模型相对于整数阶系统模型表现出的特性更加接近实际系统特性；
3、基于dq坐标系下的电流前馈解耦控制对AC/DC换流器起过滤谐波作用，保证两端电压电流质量；
4、电动汽车充放电频率特性则考虑到电动汽车动力电池本身特性以及用户出行需求，实现对微电网频率的无差调节。
附图说明
图1为电动汽车充放电系统拓扑结构示意图；
图2为不同阶次分数阶比例积分bode图的比较；其中：2(a)为幅频特性图，2(b)相频特性图；
图3为0.8阶电容分数阶等效模型(6000μF)；
图4为0.8阶电感分数阶等效模型(3mH)；
图5为PWM换流器控制策略；
图6为DC/DC变换器功率控制模块；
图7为电动汽车充放电频率特性曲线；
图8为孤岛模式微电网频率变化曲线(λ＝1.0)；
图9为并网模式微电网频率变化曲线(λ＝1.0)；
图10为孤岛模式不同λ值下微电网频率变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种基于分数阶微积分的电动汽车微电网调频方法，所述电动汽车微电网将交流电网接入的电能经双向AC/DC变换器和DC/DC变换器后提供给动力电池组，SVPWM控制产生的脉冲信号作为双向AC/DC变换器脉冲信号；所述AC/DC变换器采用在dq坐标系下的电流前馈解耦控制方法，其中电压外环采用分数阶比例积分控制器；所述DC/DC变换器中的电容和电感采用分数阶模型拟合，通过两级调频策略调节电动汽车充放电频率特性。
如图1所示为电动汽车双向充/放电电路拓扑结构，该充/放电机包括两级功率变换电路，分别为三相电压型PWM换流器和双向DC/DC变换器。Ua,Ub,Uc为电网侧三相电压，Rg,Lg为电网侧电阻与电感，Rs,Ls,Cs构成LC滤波器，C0为直流侧电容，L0为电池侧电感。分数阶控制器与基于dq坐标系下的电流前馈解耦控制主要针对AC/DC换流器控制，分数阶模型主要针对DC/DC变换电路中的电感L0、电容C0实施。考虑到电动汽车动力电池本身特性以及用户出行需求的电动汽车频率特性得到功率参考值主要针对DC/DC换流器控制。
本案中，AC/DC变换器的电流内环反馈控制实现功率因数校正，电压外环为SVPWM控制提供参考电压，电压外环采用分数阶比例积分控制器，分数阶比例积分控制器的传递函数G(s)为：
其中：Kp为比例系数，Ki为积分系数，λ为积分阶数(取值范围为0～2)，s为变量。
通过分数阶比例积分控制器传递函数，分析其在0.1至1.0情形下的伯德图(如图2所示)，可看出分数阶PIλ环节的幅频特性曲线的斜率小于整数阶比例积分环节的斜率系统中加入分数阶PIλ环节可以使得系统的稳定性和快速性得到提高。根据相频特性曲线可知，分数阶PIλ环节相比与整数阶比例积分环节，它的稳定裕度更大。
本案中，DC/DC变换器中的电容C0和电感L0采用分数阶模型拟合，即在Simulink环境下，采用分抗链及Oustaloup有理逼近方法拟合电容和电感；如图3、4所示是根据分抗链及Oustaloup有理逼近，对电容C0和电感L0进行分数阶等效建模，以0.8阶电感电容为例，参数设置为3mH，6000μF。
在图5中，我们对AC/DC换流器采用电流前馈解耦控制方式，使用分数阶比例积分环节替代原有比例积分环节。通过坐标变换将交流电网接入的交流电流ia、ib和ic变换为电流id和iq；通过电压外环将直流侧电压的参考值Vref与实测值Vdc的差经过PIλ调节后作为d轴电流id的参考值idref；当功率因数为1时，q轴电流iq的参考值iqref为0；基于idref和iqref分别对id和iq进行调节，得到系统所需的电压指令值，最后通过空间脉宽调制(SVPWM)算法获得控制IGBT通断的脉冲信号。
在电动汽车充放电频率特性的调节过程中，我们首先考虑到电动汽车动力电池本身特性以及用户出行需求。如图7所示，以fdeath表示频率调整死区；以P表示实际系统有功，P＞0表示电动汽车充电，P＜0表示电动汽车放电；以Pset表示充/放电功率参考值(即处于频率死区时电动汽车的恒定充电功率)；Pmax和Pmin表示充/放电功率上下限，该值由充电机本身功率限制、电池寿命等因素共同决定。为做到对频率的无差调节，在充放电策略中加入第二级调频，得到最终的充/放电功率输出参考值P*。
得到充/放电功率输出参考值P*后，根据图6，经由PIλ调节后得到系统所需的电压指令值，给DC/DC换流器控制脉冲。
图8、9则是针对微电网运行的孤岛模式和并网模式分别采用整数阶电路模型和分数阶电路模式在控制策略相同的情况下对比，比较结果如下：
(1)明显的差异主要体现在频率振荡幅度和频率振荡时长两个指标方面。很显然，分数阶电路模型的频率振荡幅度低于整数阶电路，振荡时长短于整数阶电路。意味着电路模型的选择对频率动态变化的研究影响很大，电路模型的准确与否直接影响仿真结论的正确性。
(2)相同之处在于达到稳态之后的频率稳定值。二者电路模型仿真结果表明，最终频率稳定值趋于同一结果。这意味着研究过程如果忽略频率变化动态过程，只考虑静态特性，该电路模型的选择对于最终的仿真结论没有实质性的影响。
图10为采用分数阶电路模型五种典型的控制参数的仿真曲线，并且将其数据列入表1，对比发现以下规律：
(1)分数阶建模方式下，振荡中心频率比较稳定。最终稳定频率随着λ值的增大无明显变化，都在49.980Hz上下波动，整体范围比较稳定。表明控制参数λ的取值对最终稳定频率的影响不大。
(2)对比不同λ值情况下系统经过频率振荡达到稳定所耗费的时长可见，随着λ值的增加，分数阶系统的震荡时长呈现降低趋势(0.36s→0.20s)。
(3)对比分数阶系统在λ值不同情况下的振荡幅度可见，随着λ值的增加，分数阶模型系统的振荡幅度有一定程度降低。
表1不同λ值时分数阶系统频率波动对比
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于分数阶微积分的电动汽车微电网调频方法，所述电动汽车微电网将交流电网接入的电能经双向AC/DC变换器和DC/DC变换器后提供给动力电池组，SVPWM控制产生的脉冲信号作为双向AC/DC变换器脉冲信号；其特征在于：所述AC/DC变换器采用在dq坐标系下的电流前馈解耦控制方法，其中电压外环采用分数阶比例积分控制器；所述DC/DC变换器中的电容和电感采用分数阶模型拟合，通过两级调频策略调节电动汽车充放电频率特性。
2.根据权利要求1所述的基于分数阶微积分的电动汽车微电网调频方法，其特征在于：所述AC/DC变换器中，电流内环反馈控制实现功率因数校正，电压外环为SVPWM控制提供参考电压，电压外环采用分数阶比例积分控制器，分数阶比例积分控制器的传递函数G(s)为：
其中：Kp为比例系数，Ki为积分系数，λ为积分阶数，s为变量。
3.根据权利要求2所述的基于分数阶微积分的电动汽车微电网调频方法，其特征在于：所述SVPWM控制的过程为：通过坐标变换将交流电网接入的交流电流ia、ib和ic变换为电流id和iq；通过电压外环将直流侧电压的参考值Vref与实测值Vdc的差经过PIλ调节后作为d轴电流id的参考值idref；当功率因数为1时，q轴电流iq的参考值iqref为0；基于idref和iqref分别对id和iq进行调节，得到电压指令值，最后通过空间脉宽调制算法获得脉冲信号；
SVPWM控制过程中采用了在dq坐标系下的电流前馈解耦控制方法，使用电流内环反馈控制校正整流变换的功率因数，解耦方程为：
其中：Vd和Vq为dq轴电压，ω为角频率，Ls为电网侧电感，ud和uq为dq轴测量电压。
4.根据权利要求1所述的基于分数阶微积分的电动汽车微电网调频方法，其特征在于：所述DC/DC变换器中的电容C0和电感L0采用分数阶模型拟合，即在Simulink环境下，采用分抗链及Oustaloup有理逼近方法拟合电容和电感，具体为：
在(ωb,ωh)频率段内实现微积分算子sα的有理逼近，其中Oustaloup滤波器的传递函数GO(s)为：
其中：ωb和ωh为频率上下限，α为阶数，N取正整数；ωk'和ωk分别为分子分母上的系数，其中
对Oustaloup滤波器的传递函数GO(s)使用matlab进行部分分式展开，将得到的展开式使用分抗链的形式进行表达，得到电容C0和电感L0。
5.根据权利要求1所述的基于分数阶微积分的电动汽车微电网调频方法，其特征在于：采用两级调频策略调节电动汽车充放电频率特性；
一级调频中，考虑到电动汽车动力电池本身特性以及用户出行需求，在调频控制中设有频率调整死区fdeath以及充/放电功率上、下限Pmax、Pmin，表征调频控制原理的调频下垂系数Kpf为：
其中：P为实际系统有功，Pset为充/放电功率参考值，ΔP＝P-Pset；fn为系统额定频率，f为系统实际频率，Δf＝fn-f；
在充放电策略中加入第二级调频，通过计算功率修正量ΔP2来补偿系统功率缺额；当频率调节后的最终频率达到系统额定频率fn时，则充/放电功率参考值Pset减小ΔP2，则：
ΔP2＝Kpf(fn-fdeath-f)+(KG+KL)(fn-f)
P′set＝Pset-ΔP2
其中：KG为电源调频下垂系数，KL为综合负荷调频下垂系数，P′set为修正后的充/放电功率参考值；
计算充/放电功率输出参考值P*为：
根据充/放电功率输出参考值P*调节电动汽车充放电频率特性。
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