CN110417039B - 一种基于虚拟惯性自适应算法的电动汽车控制方法 - Google Patents

一种基于虚拟惯性自适应算法的电动汽车控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟惯性自适应算法的电动汽车控制方法，包括以下步骤：首先，建立电动汽车动力电池电路模型；其次，对动力电池双向DC/DC变换器进行控制，使其具备提供虚拟惯性的能力；最后，考虑电动汽车充放电特性以及相关约束，通过添加虚拟惯性控制环节与自适应控制环节，实现电动汽车为直流电网提供惯性支持的目的。本发明可以在直流电网负荷出现波动时抑制直流电压变化过快，负荷波动消失时使电压迅速恢复至额定值，从而对电网电压提供惯性支持。

Description

一种基于虚拟惯性自适应算法的电动汽车控制方法
技术领域
本发明属于电网需求侧响应技术领域，具体涉及一种基于虚拟惯性自适应算法的电动汽车控制方法。
背景技术
大规模电动汽车接入微电网后，由于大量电力电子器件的存在，系统惯性较低，在发生分布式能源出力波动或者负荷频繁投切等扰动时，系统频率、电压波动加剧，直接威胁到微电网的安全稳定运行。在交流微电网中，为了解决该问题，有学者提出借鉴同步发电机的机械方程和电磁方程来控制并网逆变器，使得并网逆变器在外特性上与同步发电机相媲美的虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)技术。VSG技术可用于增强交直流混合微电网交流网络的稳定性，提高微电网对大规模电动汽车接入的适应性，使电动汽车为微电网提供调频服务。
相较于交流网络，电动汽车大规模接入直流网络可减少电能变换带来的能量损耗，更具优势。但若不对其采取适当控制，会对直流网络的安全稳定运行带来挑战。直流母线电压是衡量直流微电网内功率平衡的唯一指标，为了增强直流网络的电压稳定性，有学者类比交流微电网VSG的虚拟惯性，提出了直流微电网并网逆变器的虚拟惯性控制，通过控制微电网中的旋转设备和储能设备达到为直流电压提供惯性支撑的效果，电动汽车作为一种快速可控型负荷，其本身具备向直流母线电压提供惯性支撑的能力，而目前对此展开的研究较少。与此同时，现有研究中，由于虚拟惯性控制参数为固定值，系统缺乏灵活多变、适应不同工况的能力，为此，自适应控制策略常用于弥补上述不足。
发明内容
发明目的：本发明针对电动汽车双向功率变换器，提出了一种基于虚拟惯性自适应算法的电动汽车控制方法，以实现电动汽车为直流电网提供惯性支持的目的。
技术方案：本发明所述的一种基于虚拟惯性自适应算法的电动汽车控制方法，包括以下步骤：
(1)建立电动汽车动力电池电路模型；
(2)对动力电池双向DC/DC变换器进行控制，使其具备提供虚拟惯性的能力；
(3)考虑电动汽车充放电特性以及相关约束，通过添加虚拟惯性自适应控制环节，实现电动汽车为直流电网提供惯性支持的目的。
进一步地，步骤(1)所述的动力电池电路模型为磷酸铁锂电池电路模型，采用R-RC结构对磷酸铁锂电池进行建模：
Uo＝Ui+R0i+Uf
Figure GDA0002779793130000021
其中，Uo为其电动势，Ui为电池端电压，Ro为电池内阻，i为负载电流，Rf为极化电阻，Cf为极化电容。
进一步地，步骤(2)所述的虚拟惯性为动力电池通过双向DC/DC变换器连接在直流母线上，通过适当控制，为直流网络提供虚拟惯性支持；所述适当控制过程如下：
常规控制模式下，变流器实际向直流母线注入的功率为其输出有功和并联电容放电功率的总和为：
Figure GDA0002779793130000022
其中，Pout为实际注入直流母线的有功功率，Pin为变流器输出的有功功率，PC为变流器直流母线侧电容Cdc的放电功率，udc为直流母线电压；
对其施加控制，使动力电池在电压突变时向直流网络提供额外的虚拟惯性功率ΔPvir，此时电容两侧的功率平衡关系可以表示为：
Pout+ΔPout＝Pin+PC+ΔPvir
类比电容器充放电功率的表达式，动力电池提供的惯性功率可表达为：
Figure GDA0002779793130000023
其中，Cvir为变流器的虚拟惯性控制系数，在一定范围内，通过改变Cvir的大小可以改变动力电池提供惯性支持的大小。
进一步地，所述步骤(3)包括以下步骤：
(31)考虑电动汽车充放电特性及相关约束，防止轻微电压波动下电动汽车充放电功率频繁波动对电池寿命以及健康状态的影响，设置调节死区，uN为电压额定值，udeath为电压死区值，当系统电压波动范围在uN-udeath至uN+udeath之间时，为避免充放电功率频繁波动对电池寿命以及健康状态的影响，动力电池不参与电网调压服务；
(32)设置充放电功率上、下限值，Pmax和Pmin分别为充放电功率的上、下限值，由充电机本身功率限制、用户出行需求和电池寿命共同决定，其表达式分别为：
Figure GDA0002779793130000031
Figure GDA0002779793130000032
ΔSoc1＝100％-Soct
ΔSoc2＝Socmin,t+Δt-Soct
其中，Pchar，max为充电机本身允许的最大充电功率；ηchar为电池充电效率；Cev为电池容量；Δt为控制周期，其值由人为决定；Soct为当前时刻t的剩余电量；ΔSoc1为Δt时刻内电动汽车增加的最大荷电状态值；Pdischar,max为充电机本身允许的最大放电功率，且Pdischar,max>0；ηdischar为电池放电效率；ΔSoc2为t+Δt时刻所允许的最小电量Socmin,t+Δt与当前时刻电量Soct的差，Socmin,t+Δt为考虑电池寿命和用户出行需求计划得到；ΔSoc2>0表示当前电池SOC没有达到t+Δt时刻允许的最小电量，此时不允许电池放电，Pmin>0，Pmin表示允许最小充电功率；ΔSoc2<0表示当前电池SOC已经达到t+Δt时刻允许的最小电量，此时允许电池放电，Pmin<0，|Pmin|表示允许最大放电功率；
(33)动力电池经由DC/DC变流器施加附加控制提供的虚拟惯性功率表示为：
Figure GDA0002779793130000033
其中，udc为实测的直流母线电压；udc0为前一时刻的直流母线电压；udcN为直流母线的额定电压；Cvir为变流器的虚拟惯性控制系数；Pvir为动力电池惯性功率；
(34)添加自适应控制环节，使虚拟惯性控制环节能够根据电压变化动态地调节虚拟惯性控制系数Cvir，将Cvir写成关于电压变化量|udc-udcN|的函数，同时引入电压跟踪系数ku，当|udc-udcN|＞K时，ku根据需要自行设计；为避免电压轻微波动引起电池充放电功率的频繁波动，当|udc-udcN|≤K时，ku＝0，虚拟惯性控制系数Cvir用下式表示：
Cvir＝Cvir0+ku|udc-udcN|
其中，Cvir0为虚拟惯性控制系数的初始值，udc为直流母线电压实测值，udcN为直流母线电压额定电压，K为根据微电网直流母线电压允许波动范围设定的电压变化量限定值；
(35)在步骤(34)的基础上引入开关状态值Δs和电压变化的微分量du/dt，此时虚拟惯性控制系数Cvir受到du/dt的影响，此时虚拟惯性控制系数Cvir为：
Cvir＝Cvir0+Δsku|udc-udcN|。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、为电动汽车提供了电网友好型接口，并使其可参与电网互动，为系统提供调频调压服务；2、该发明在直流电网负荷出现波动时抑制直流电压变化过快，负荷波动消失时使电压迅速恢复至额定值，从而使电动汽车能对电网电压提供惯性支持。
附图说明
图1为本发明提供一种基于虚拟惯性自适应算法的电动汽车控制方法示意图；
图2为本发明提供的磷酸铁锂电池模型示意图；
图3为本发明提供一种动力电池虚拟惯性分析示意图；
图4为本发明实施例提供的电动汽车调压特性示意图；
图5为本发明实施例提供的电动汽车虚拟惯性自适应控制器结构示意图；
图6为本发明实施例提供的直流微电网测试系统示意图；
图7为本发明实施例提供的虚拟惯性控制下直流母线电压变化示意图；
图8为本发明实施例提供的虚拟惯性控制下电动汽车功率变化示意图；
图9为本发明实施例提供的自适应虚拟惯性控制下直流母线电压变化示意图；
图10为本发明实施例提供的自适应虚拟惯性控制下电动汽车功率变化示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。
本发明针对电动汽车双向功率变换器，提出了一种虚拟惯性自适应控制方法。为电动汽车提供了电网友好型接口，并使其可参与电网互动，为系统提供调频调压服务。该发明可以在直流电网负荷出现波动时抑制直流电压变化过快，负荷波动消失时使电压迅速恢复至额定值，从而对电网电压提供惯性支持。
如图1所示，为本发明包括以下步骤：
步骤一、建立电动汽车动力电池电路模型。
具体地，如图2所示，所述电动汽车动力电池的数学模型为：
Uo＝Uf+R0i+Uf
Figure GDA0002779793130000051
其中：Uo为其电动势，Ui为电池端电压，Ro为电池内阻，i为负载电流，Rf为极化电阻，Cf为极化电容，可以反映电池充放电过程中的暂态反应。
步骤二、根据所建立的动力电池电路模型分析动力电池虚拟惯性。
如图3所示，根据电动汽车动力电池数学模型分析其虚拟惯性，包括：
所述动力电池一般通过双向DC/DC变换器连接在直流母线上，通过适当控制，其可为直流网络提供虚拟惯性支持，包括：
常规控制模式下，变流器实际向直流母线注入的功率为其输出有功和并联电容放电功率的总和，可以表示为
Figure GDA0002779793130000052
式中：Pout为实际注入直流母线的有功功率；Pin为变流器输出的有功功率；PC为变流器直流母线侧电容Cdc的放电功率；udc为直流母线电压。
如果对其施加虚拟惯性控制，可使动力电池在电压突变时向直流网络提供额外的虚拟惯性功率ΔPvir，此时电容两侧的功率平衡关系可以表示为
Pout+ΔPout＝Pin+PC+ΔPvir
类比电容器充放电功率的表达式，动力电池提供的惯性功率可表达为
Figure GDA0002779793130000061
式中：Cvir为变流器的虚拟惯性控制系数，在一定范围内，通过改变Cvir的大小可以改变动力电池提供惯性支持的大小。
步骤三、考虑电动汽车充放电特性以及相关约束，通过添加虚拟惯性控制环节与自适应控制环节，实现电动汽车为直流电网提供惯性支持的目的。
考虑电动汽车充放电特性及相关约束，如图4所示，一方面需要防止轻微电压波动下电动汽车充放电功率频繁波动对电池寿命以及健康状态的影响，另一方面，受电动汽车用户出行需求、电池寿命及充电机本身功率限制，其充放电功率存在上下限值。
设置调节死区，uN为电压额定值，udeath为电压死区值，当系统电压波动范围在uN-udeath至uN+udeath之间时，为避免充放电功率频繁波动对电池寿命以及健康状态的影响，动力电池不参与电网调压服务。
设置充放电功率上、下限值，Pmax和Pmin分别为充放电功率的上下限值，由充电机本身功率限制、用户出行需求和电池寿命共同决定，其表达式分别为：
Figure GDA0002779793130000062
Figure GDA0002779793130000063
ΔSoc1＝100％-Soct
ΔSoc2＝Socmin,t+Δt-Soct
式中：Pcharmax为充电机本身允许的最大充电功率；ηchar为电池充电效率；Cev为电池容量；Δt为控制周期，其值由人为决定；Soct为当前时刻t的剩余电量；ΔSoc1为Δt时刻内电动汽车可以增加的最大荷电状态(SOC)值；Pdischar,max为充电机本身允许的最大放电功率，且Pdischar,max>0；ηdischar为电池放电效率；ΔSoc2为t+Δt时刻所允许的最小电量Socmin,t+Δt与当前时刻电量Soct的差，Socmin,t+Δt为考虑电池寿命和用户出行需求计划得到；ΔSoc2>0表示当前电池SOC没有达到t+Δt时刻允许的最小电量，此时不允许电池放电，Pmin>0，Pmin表示允许最小充电功率；ΔSoc2<0表示当前电池SOC已经达到t+Δt时刻允许的最小电量，此时允许电池放电，Pmin<0，|Pmin|表示允许最大放电功率。
如图5所示，动力电池经由DC/DC变流器施加附加控制提供的虚拟惯性功率可表示为：
Figure GDA0002779793130000071
式中：udc为实测的直流母线电压；udc0为前一时刻的直流母线电压；udcN为直流母线的额定电压；Cvir为变流器的虚拟惯性控制系数；Pvir为动力电池惯性功率。
添加自适应控制环节，可使虚拟惯性控制环节能够根据电压变化动态地调节虚拟惯性系数Cvir，将Cvir写成关于电压变换量|udc-udcN|的函数，同时引入电压跟踪系数ku，当|udc-udcN|＞K时，ku根据需要自行设计；为避免电压轻微波动引起电池充放电功率的频繁波动，当|udc-udcN|≤K时，ku＝0，虚拟惯性控制系数Cvir用下式表示：
Cvir＝Cvir0+ku|udc-udcN|
式中：Cvir0为虚拟惯性系数的初始值，udc为直流母线电压实测值，udcN为直流母线电压额定电压，K为根据微电网直流母线电压允许波动范围设定的电压变化量限定值。上述虚拟惯性自适应控制算法能够减缓负载扰动发生时的电压变化速度，但同时也会降低扰动消失后电压的恢复速度。为此，在上述算法的基础上引入开关状态值Δs和电压变化的微分量du/dt，此时虚拟惯性系数Cvir受到du/dt的影响，此时虚拟惯性系数Cvir则可用下式表示：
Cvir＝Cvir0+Δsku|udc-udcN|
具体地，如图6所示，在直流微电网直流母线上接有电动汽车与常规负荷的系统上进行测试验证，图7为虚拟惯性控制下直流母线电压变化、图8为电动汽车功率变化示意图、图9为自适应虚拟惯性控制下直流母线电压变化示意图。
图7中，波形1、2、3分别表示虚拟惯性系数Cvir为0、5、20下直流母线电压的动态响应曲线，图8中波形1、2、3分别对应为此时电动汽车动力电池组输出功率变化量的标幺值。从图7、图8可以看出，虚拟惯性控制下电动汽车能够为微电网直流网络提供电压支持，通过调节虚拟惯性系数Cvir的值可改变其参与电压支持的程度，但当Cvir超出一定值后，虚拟惯性控制也会导致系统不稳定，应综合考虑选取合适的Cvir参数值。
图10是对基于虚拟惯性控制且虚拟惯性系数Cvir较小、未引入开关状态值Δs的虚拟惯性自适应控制、引入开关状态值Δs的虚拟惯性自适应控制策略下的系统进行负荷波动测试，以上3种控制策略分别记为策略1、策略2、策略3。分析图10可知，通过动态地改变虚拟惯性系数Cvir的大小，所提控制策略能减缓负荷波动出现时的电压降落速度，同时不影响负荷波动结束后电压的恢复速度，增强了直流网络的电压稳定性。
本发明针对电动汽车双向功率变换器，提出了一种虚拟惯性自适应控制方法。为电动汽车提供了电网友好型接口，并使其可参与电网互动，为系统提供调频调压服务。该发明可以在直流电网负荷出现波动时抑制直流电压变化过快，负荷波动消失时使电压迅速恢复至额定值，从而对电网电压提供惯性支持。
以上依据图示所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于虚拟惯性自适应算法的电动汽车控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立电动汽车动力电池电路模型；
(2)对动力电池双向DC/DC变换器进行控制，使其具备提供虚拟惯性的能力；
(3)考虑电动汽车充放电特性以及相关约束，通过添加虚拟惯性自适应控制环节，实现电动汽车为直流电网提供惯性支持的目的；
步骤(3)包括以下步骤：
(31)考虑电动汽车充放电特性及相关约束，防止轻微电压波动下电动汽车充放电功率频繁波动对电池寿命以及健康状态的影响，设置调节死区，uN为电压额定值，udeath为电压死区值，当系统电压波动范围在uN-udeath至uN+udeath之间时，为避免充放电功率频繁波动对电池寿命以及健康状态的影响，动力电池不参与电网调压服务；
(32)设置充放电功率上、下限值，Pmax和Pmin分别为充放电功率的上、下限值，由充电机本身功率限制、用户出行需求和电池寿命共同决定，其表达式分别为：
Figure FDA0002771450280000011
Figure FDA0002771450280000012
ΔSoc1＝100％-Soct
ΔSoc2＝Socmin,t+Δt-Soct
其中，Pchar，max为充电机本身允许的最大充电功率；ηchar为电池充电效率；Cev为电池容量；Δt为控制周期，其值由人为决定；Soct为当前时刻t的剩余电量；ΔSoc1为Δt时刻内电动汽车增加的最大荷电状态值；Pdischar,max为充电机本身允许的最大放电功率，且Pdischar,max>0；ηdischar为电池放电效率；ΔSoc2为t+Δt时刻所允许的最小电量Socmin,t+Δt与当前时刻电量Soct的差，Socmin，t+Δt为考虑电池寿命和用户出行需求计划得到；ΔSoc2>0表示当前电池SOC没有达到t+Δt时刻允许的最小电量，此时不允许电池放电，Pmin>0，Pmin表示允许最小充电功率；ΔSoc2<0表示当前电池SOC已经达到t+Δt时刻允许的最小电量，此时允许电池放电，Pmin<0，|Pmin|表示允许最大放电功率；
(33)动力电池经由DC/DC变流器施加附加控制提供的虚拟惯性功率表示为：
Figure FDA0002771450280000021
其中，udc为实测的直流母线电压；udc0为前一时刻的直流母线电压；udcN为直流母线的额定电压；Cvir为变流器的虚拟惯性控制系数；Pvir为动力电池惯性功率；
(34)添加自适应控制环节，使虚拟惯性控制环节能够根据电压变化动态地调节虚拟惯性控制系数Cvir，将Cvir写成关于电压变化量|udc-udcN|的函数，同时引入电压跟踪系数ku，当|udc-udcN|＞K时，ku根据需要自行设计；为避免电压轻微波动引起电池充放电功率的频繁波动，当|udc-udcN|≤K时，ku＝0，虚拟惯性控制系数Cvir用下式表示：
Cvir＝Cvir0+ku|udc-udcN|
其中，Cvir0为虚拟惯性控制系数的初始值，udc为直流母线电压实测值，udcN为直流母线电压额定电压，K为根据微电网直流母线电压允许波动范围设定的电压变化量限定值；
(35)在步骤(34)的基础上引入开关状态值Δs和电压变化的微分量du/dt，此时虚拟惯性控制系数Cvir受到du/dt的影响，此时虚拟惯性控制系数Cvir为：
Cvir＝Cvir0+Δsku|udc-udcN|。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟惯性自适应算法的电动汽车控制方法，其特征在于，步骤(1)所述的动力电池电路模型为磷酸铁锂电池电路模型，采用R-RC结构对磷酸铁锂电池进行建模：
Uo＝Ui+R0i+Uf
Figure FDA0002771450280000022
其中，Uo为其电动势，Ui为电池端电压，Ro为电池内阻，i为负载电流，Rf为极化电阻，Cf为极化电容。
3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟惯性自适应算法的电动汽车控制方法，其特征在于，步骤(2)所述的虚拟惯性为动力电池通过双向DC/DC变换器连接在直流母线上，通过适当控制，为直流网络提供虚拟惯性支持；所述适当控制过程如下：
常规控制模式下，变流器实际向直流母线注入的功率为其输出有功和并联电容放电功率的总和为：
Figure FDA0002771450280000031
其中，Pout为实际注入直流母线的有功功率，Pin为变流器输出的有功功率，PC为变流器直流母线侧电容Cdc的放电功率，udc为直流母线电压；
对其施加控制，使动力电池在电压突变时向直流网络提供额外的虚拟惯性功率ΔPvir，此时电容两侧的功率平衡关系表示为：
Pout+ΔPout＝Pin+PC+ΔPvir
类比电容器充放电功率的表达式，动力电池提供的惯性功率表达为：
Figure FDA0002771450280000032
其中，Cvir为变流器的虚拟惯性控制系数，在一定范围内，通过改变Cvir的大小改变动力电池提供惯性支持的大小。
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