CN110502804B - 一种电动汽车充电过程时变谐波电流评估方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了电动汽车充电过程时变谐波电流评估方法及系统。其中，评估方法包括：对电动汽车充电过程各个阶段的实测电压和电流数据分别进行傅里叶分析，得到电压和电流的各次谐波向量值，通过傅里叶函数拟合，获取电压的先验分布；根据各个阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数与相应阶段的基准电压点乘等于相应阶段的基准电流，计算出各个阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数；根据电动汽车充电过程各个阶段的实测电压和电流数据，计算出电动汽车充电过程等效电阻，拟合电动汽车充电过程等效电阻的变化曲线；根据电动汽车充电过程等效电阻的变化，调整各个阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数，进而计算出电动汽车充电过程中实时的各次电流评估值。

Description

一种电动汽车充电过程时变谐波电流评估方法及系统
技术领域
本公开属于电动汽车充电领域，尤其涉及一种电动汽车充电过程时变谐波电流评估方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着能源紧缺与环境污染问题日渐突出而电动汽车作为一种低污染、零耗油的新型交通工具应运而生，全世界均十分重视电动汽车的探索与发展。而充电站所应用的主要装备是具有非线性负载特性的电力电子装置充电机，充电站在正常工作运行状态下，会产生不同频率的谐波电流，通过与充电站相连接的并网端口而接入配电网，为实现快速充电电动汽车的充电功率通常较大，导致每辆电动汽车注入配电网谐波电流值较高，随着电动汽车大规模普及将会为系统规划运行造成无法忽视的影响，如：降低系统电能质量，减小电力系统的功率因数，并造成电压损耗与系统三相不平衡问题，造成线路与变压器等设备的过载问题，使系统峰谷差再度增加，系统运行效率较低，并易发生电网局部地区电力供应紧缺。
目前关于电动汽车谐波建模已有所研究，常见方法为通过搭建不控整流桥式电路，建立电路谐波耦合导纳矩阵模型，采用非线性时变电阻近似模拟充电装置中整流电路部分的等效输入阻抗，发明人发现，大规模的电动汽车充电站已加入一定的无功补偿和无源滤波装置，较难精准确定其电路拓扑结构。在能源短缺、环境污染严重等背景下，电动汽车市场占有率逐年增大，电动汽车充电功率大，谐波含量高，其规模化发展将对电网造成影响。
发明内容
为了解决上述问题，本公开的第一个方面提供一种电动汽车充电过程时变谐波电流评估方法，其建立了可以考虑谐波电压与电流间的耦合关系、配电网电压波动与畸变的谐波交叉对称分量模型，降低模型计算复杂程度，提升运算速度。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一种电动汽车充电过程时变谐波电流评估方法，包括：
对电动汽车充电过程各个阶段的实测电压和电流数据分别进行傅里叶分析，得到电压和电流的各次谐波相量值，通过傅里叶分析，获取供电电压的先验分布；
根据各个阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数与相应阶段的基准电压点乘等于相应阶段的基准电流，计算出各个阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数；
根据电动汽车充电过程各个阶段的实测电压和电流数据，计算出电动汽车充电过程等效电阻，拟合电动汽车充电过程等效电阻的变化曲线；
根据电动汽车充电过程等效电阻的变化，调整各个阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数，进而计算出电动汽车充电过程中实时的各次谐波电流评估值；
其中，恒流阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数不变；恒压阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数的调整因子与恒压阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数以及基准电压点乘等于该阶段的基准电流。
为了解决上述问题，本公开的第二个方面提供一种电动汽车充电过程时变谐波电流评估系统，其建立了可以考虑谐波电压与电流间的耦合关系、配电网电压波动与畸变的谐波交叉对称分量模型，降低模型计算复杂程度，提升运算速度。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一种电动汽车充电过程时变谐波电流评估系统，其特征在于，包括：
电压的先验分布模块，其用于对电动汽车充电过程各个阶段的实测电压和电流数据分别进行傅里叶分析，得到电压和电流的各次谐波相量值，通过傅里叶分析，获取电压的先验分布；
基准谐波交叉对称分量模型参数计算模块，其用于根据各个阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数与相应阶段的基准电压点乘等于相应阶段的基准电流，计算出各个阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数；
拟合等效电阻变化曲线模块，其用于根据电动汽车充电过程各个阶段的实测电压和电流数据，计算出电动汽车充电过程等效电阻，拟合电动汽车充电过程等效电阻的变化曲线；
电流评估模块，其用于根据电动汽车充电过程等效电阻的变化，调整各个阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数，进而计算出电动汽车充电过程中实时的各次谐波电流评估值；
其中，恒流阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数不变；恒压阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数的调整因子与恒压阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数以及基准电压点乘等于该阶段的基准电流。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述所述的电动汽车充电过程时变谐波电流评估方法中的步骤。
为了解决上述问题，本公开的第四个方面提供一种计算机设备，其建立了可以考虑谐波电压与电流间的耦合关系、配电网电压波动与畸变的谐波交叉对称分量模型，降低模型计算复杂程度，提升运算速度。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述所述的电动汽车充电过程时变谐波电流评估方法中的步骤。
本公开的有益效果是：
(1)本公开建立了可以考虑谐波电压与电流间的耦合关系、配电网电压波动与畸变的谐波交叉对称分量模型，降低模型计算复杂程度，提升运算速度；
(2)本公开通过拟合电阻的方法，可以考虑电动汽车充电过程不同充电阶段电池剩余电量对用电数据影响；
(3)本公开提出的方法仅需计算两阶段的谐波模型参数，提升预测的准确度，未大幅增加计算工作量，本公开对电动汽车的谐波进行准确评估，可以提升电网稳定性，减少谐波电流，改善电能质量；同时电动汽车具有储能功能，且数量众多、分布较广，还可运用在负荷需求侧响应领域，提高了电力系统的运行的经济性、稳定性等。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例提供的一种电动汽车充电过程时变谐波电流评估方法。
图2为本公开实施例提供的电动汽车谐波交叉对称矩阵参数幅值的三维柱状图。
图3(a)为本公开实施例提供的7kW慢充电动汽车实测电流波形图。
图3(b)为本公开实施例提供的7kW慢充电动汽车实测电流频谱图。
图4(a)为本公开实施例提供的60kW快充电动汽车实测电流波形图。
图4(b)为本公开实施例提供的60kW快充电动汽车实测电流频谱图。
图5为本公开实施例提供的电动汽车谐波模型和实测电流波形对比。
图6为本公开实施例提供的电动汽车实测电流和谐波模型结果对比图。
图7为(a)本公开实施例提供的电动汽车充电全过程电阻及功率变化。
图7为(b)本公开实施例提供的电动汽车充电全过程各次电流变化。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
图1是本公开实施例提供的一种电动汽车充电过程时变谐波电流评估方法流程图。
如图1所示，本实施例的一种电动汽车充电过程时变谐波电流评估方法，包括：
S101：对电动汽车充电过程各个阶段的实测电压和电流数据分别进行傅里叶分析，得到电压和电流的各次谐波向量值，通过傅里叶分析，获取电压的先验分布。
对不同类型电动汽车充电机进行实验测量，获取充电状态下电压电流数据，之后对测量得到的数据进行同步化处理，经傅里叶分析获得电压与电流各次谐波相量值。
测量一周的电压数据进行分析，得到每天电压波动基本一致，电压曲线随时间变化存在一定规律性，通过傅里叶分析，获取电压先验分布，拟合函数可表示为：
Figure BDA0002147632420000061
式中a,b,ω为实测电压数据拟合所得参数，本实施例选取二阶模型，即n＝2。
目前我国低压配电网中存在严重的电压波动与畸变情况，电动汽车的充电电流并非恒定保持，而会根据电压的变化有所波动，因此需考虑电压波动与谐波分量对谐波电流的影响，先获得电压先验分布，再计算不同电压工况下的充电电流谐波。步骤S102在构建谐波交叉对称分量模型时，需根据模型参数与各次电压值计算谐波电流，该处使用的电压即为对应时刻电压拟合数据结果。
S102：根据各个阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数与相应阶段的基准电压点乘等于相应阶段的基准电流，计算出各个阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数。
利用电动汽车实测数据估计谐波交叉对称模型参数，图2绘制了谐波交叉对称矩阵模型的幅值三维柱状图，分析发现谐波次数相同及相邻的谐波电压和谐波电流间耦合性最强，因此提出只考虑谐波交叉对称模型矩阵第一列参数、主对角线参数和主对角线参数同行的相邻参数(以下统称主对角参数)，谐波交叉对称分量模型可表示为：
Figure BDA0002147632420000071
其中，模型参数
Figure BDA0002147632420000075
表征第j次谐波电流；
Figure BDA0002147632420000072
表征第j次谐波电压；Yij表征第j次谐波电压对第i次谐波电流的贡献程度，i和j均为大于等于1且小于等于H的正整数，H为大于或等于2的正整数。
根据实测数据计算得到电动汽车充电各个阶段的谐波交叉对称分量基准参数YB，计算公式为：
Figure BDA0002147632420000073
式中
Figure BDA0002147632420000074
和YB分别为计算模型参数的基准电压、基准电流和基准谐波交叉对称分量矩阵。
S103：根据电动汽车充电过程各个阶段的实测电压和电流数据，计算出电动汽车充电过程等效电阻，拟合电动汽车充电过程等效电阻的变化曲线。
快充车辆等效电路多为三相六脉不控整流，慢充车辆为单相不控整流，充电等效电路的负载电阻R可通过实测各时刻的充电电流与电压估算实时变化的阻值。将电动汽车充电过程分为恒流充电阶段和恒压充电阶段，考虑到电动汽车与充电机性能差异，电动汽车整个充电过程存在多个不同电流值的恒流充电阶段，将恒流阶段近似看作电阻保持不变，恒压阶段电阻实时变化，将该变化过程拟合为分段函数，其中恒压阶段电阻变化拟合为一阶指数函数，拟合函数公式表示为：
Figure BDA0002147632420000081
式中R、R1、R2分别为电动汽车充电机的等效电阻、恒流阶段的等效电阻与恒压阶段初始时刻的等效电阻，若电动汽车充电过程存在多个恒流阶段可增加分段函数个数；t为该充电时刻，t0为恒压阶段初始时刻；a为拟合函数系数，同一充电机该系数为常数。
S104：根据电动汽车充电过程等效电阻的变化，调整各个阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数，进而计算出电动汽车充电过程中实时的各次电流评估值；
其中，恒流阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数不变；恒压阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数的调整因子与恒压阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数以及基准电压点乘等于该阶段的基准电流。
首先计算各个阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数，由该参数获得基准谐波电流，然后通过计算不同时刻调整因子的大小，在基准电流的基础上调整模型参数，得到调整后的电流值，即为电动汽车充电过程中实时的各次电流评估值。
恒压阶段随着充电过程的进行，电动汽车充电等效电阻值逐渐变化，因此需要对谐波交叉对称分量模型矩阵参数进行调整，定义y′反映等效电阻的变化，表示为：
Figure BDA0002147632420000091
式中R0为电动汽车该运行阶段的基准等效电阻；y′为谐波交叉对称分量矩阵的调整因子。
恒流阶段谐波交叉对称分量矩阵参数YB值不变，恒压阶段随着充电过程的进行，充电机等效电阻值逐渐变化，因此需要对YB进行调整，经过调整后的电流为：
Figure BDA0002147632420000092
式中
Figure BDA0002147632420000093
为谐波交叉对称分量矩阵模型计算所得调整后电流。
对比本实施例所使用的谐波交叉对称分量模型与传统谐波模型、实测用电数据的谐波电流波形与相角的计算精确度。图3(a)-图3(b)和图4(a)-图4(b)选取了谐波畸变率为12.5％的家庭慢充电动汽车充电桩与公共快充充电桩的电流波形与某时刻的电流频谱图，图5给出了电动汽车的谐波交叉对称分量模型计算结果与实测波形对比图，图6为电动汽车谐波交叉对称分量模型、恒流源模型、谐波诺顿模型与实测电流的幅值与相角对比图，由图可知恒流源模型、谐波诺顿模型与实测数据结果之间的误差更大，而谐波交叉对称分量模型与实测数据吻合程度较高，尤其是低次电流，验证了所提模型的准确性。
利用本实施例所提模型，选取电池容量30kWh，最大行驶里程160km，额定功率9kW的电动汽车，其完整充电过程的电阻、功率与各次谐波电流变化曲线如图7(a)-图7(b)。取10分钟为一阶段，充电全过程270分钟，前150分钟为恒流充电过程，电阻基本不变，在150分钟达到最大充电功率9kW，电流谐波总畸变率为17.21％，后120分钟为恒压阶段，电阻逐渐增大，功率与电流下降，电流谐波总畸变率上升。该模型预测与实测结果基本吻合，较恒功率模型结果更为精确。
本公开的实施例还提供了一种电动汽车充电过程时变谐波电流评估系统。
本实施例的一种电动汽车充电过程时变谐波电流评估系统，包括：
电压的先验分布模块，其用于对电动汽车充电过程各个阶段的实测电压和电流数据分别进行傅里叶分析，得到电压和电流的各次谐波向量值，通过傅里叶函数拟合，获取电压的先验分布；
基准谐波交叉对称分量模型参数计算模块，其用于根据各个阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数与相应阶段的基准电压点乘等于相应阶段的基准电流，计算出各个阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数；
拟合等效电阻变化曲线模块，其用于根据电动汽车充电过程各个阶段的实测电压和电流数据，计算出电动汽车充电过程等效电阻，拟合电动汽车充电过程等效电阻的变化曲线；
其中，电动汽车充电过程分为恒流充电阶段和恒压充电阶段。
电流评估模块，其用于根据电动汽车充电过程等效电阻的变化，调整各个阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数，进而计算出电动汽车充电过程中实时的各次电流评估值；
其中，恒流阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数不变；恒压阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数的调整因子与恒压阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数以及基准电压点乘等于该阶段的基准电流。
电动汽车整个充电过程存在多个不同电流值的恒流充电阶段，将恒流阶段看作电阻保持不变；恒压阶段电阻实时变化，将该变化过程拟合为分段函数，其中恒压阶段电阻变化拟合为一阶指数函数。
基准谐波交叉对称分量模型参数的调整因子y′：
Figure BDA0002147632420000111
其中，R0为电动汽车该运行阶段的基准等效电阻；t为该充电时刻，t0为恒压阶段初始时刻；a为拟合函数系数，同一充电机该系数为常数。
在另一实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如图1所示的电动汽车充电过程时变谐波电流评估方法中的步骤。
在另一实施例中，还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如图1所示的电动汽车充电过程时变谐波电流评估方法中的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电动汽车充电过程时变谐波电流评估方法，其特征在于，包括：
对电动汽车充电过程各个阶段的实测电压和电流数据分别进行傅里叶分析，得到电压和电流的各次谐波向量值，通过傅里叶函数拟合，获取电压的先验分布；
根据各个阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数与相应阶段的基准电压点乘等于相应阶段的基准电流，计算出各个阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数；
根据电动汽车充电过程各个阶段的实测电压和电流数据，计算出电动汽车充电过程等效电阻，拟合电动汽车充电过程等效电阻的变化曲线；
根据电动汽车充电过程等效电阻的变化，调整各个阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数，进而计算出电动汽车充电过程中实时的各次电流评估值；
其中，恒流阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数不变；恒压阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数的调整因子与恒压阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数以及基准电压点乘等于该阶段的基准电流；
基准谐波交叉对称分量模型参数的调整因子
Figure DEST_PATH_IMAGE002
：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为电动汽车运行阶段的基准等效电阻；t为充电时刻，t 0 为恒压阶段初始时刻；a为拟合函数系数，同一充电机该系数为常数。
2.如权利要求1所述的一种电动汽车充电过程时变谐波电流评估方法，其特征在于，电动汽车充电过程分为恒流充电阶段和恒压充电阶段。
3.如权利要求2所述的一种电动汽车充电过程时变谐波电流评估方法，其特征在于，电动汽车整个充电过程存在多个不同电流值的恒流充电阶段，将恒流阶段看作电阻保持不变；恒压阶段电阻实时变化，将该变化过程拟合为分段函数，其中恒压阶段电阻变化拟合为一阶指数函数。
4.一种电动汽车充电过程时变谐波电流评估系统，其特征在于，包括：
电压的先验分布模块，其用于对电动汽车充电过程各个阶段的实测电压和电流数据分别进行傅里叶分析，得到电压和电流的各次谐波向量值，通过傅里叶函数拟合，获取电压的先验分布；
基准谐波交叉对称分量模型参数计算模块，其用于根据各个阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数与相应阶段的基准电压点乘等于相应阶段的基准电流，计算出各个阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数；
拟合等效电阻变化曲线模块，其用于根据电动汽车充电过程各个阶段的实测电压和电流数据，计算出电动汽车充电过程等效电阻，拟合电动汽车充电过程等效电阻的变化曲线；
电流评估模块，其用于根据电动汽车充电过程等效电阻的变化，调整各个阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数，进而计算出电动汽车充电过程中实时的各次电流评估值；
其中，恒流阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数不变；恒压阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数的调整因子与恒压阶段的基准谐波交叉对称分量模型参数以及基准电压点乘等于该阶段的基准电流；
基准谐波交叉对称分量模型参数的调整因子
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
：
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
为电动汽车运行阶段的基准等效电阻；t为充电时刻，t 0 为恒压阶段初始时刻；a为拟合函数系数，同一充电机该系数为常数。
5.如权利要求4所述的一种电动汽车充电过程时变谐波电流评估系统，其特征在于，电动汽车充电过程分为恒流充电阶段和恒压充电阶段。
6.如权利要求5所述的一种电动汽车充电过程时变谐波电流评估系统，其特征在于，电动汽车整个充电过程存在多个不同电流值的恒流充电阶段，将恒流阶段看作电阻保持不变；恒压阶段电阻实时变化，将该变化过程拟合为分段函数，其中恒压阶段电阻变化拟合为一阶指数函数。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-3中任一项所述的电动汽车充电过程时变谐波电流评估方法中的步骤。
8.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-3中任一项所述的电动汽车充电过程时变谐波电流评估方法中的步骤。
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