CN111293710B - 一种电动汽车双向充放电控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动汽车双向充放电控制系统及其控制方法，控制方法如下：第一调节器的输入值为电网角频率的额定值与实际值之差，第二调节器的输入值为第一调节器输出值与电池电流的实际值之差，根据第二调节器的输出值生成用于控制DC/DC变换器开关管的控制信号；第三调节器的输入值为电网电压的实际值与额定值之差，第四调节器的输入值为第三调节器输出值与q轴电流的实际值的差值，根据第四调节器的输出值生成用于控制AC/DC变流器开关管的控制信号。本发明所提供的技术方案，在满足对电动汽车快速充放电的同时，参与电网互动，具备电网调频调压的能力，控制简单，效果良好，适合于产品开发与工程应用。

Description

一种电动汽车双向充放电控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于电动汽车双向充放电控制技术领域，具体涉及一种电动汽车双向充放电控制系统及其控制方法。

背景技术

近年来，随着环境污染的加剧、能源的短缺，电动汽车越来越受到重视。为了促进电动汽车发展，电动汽车充电机也需要向高性能、大功率、快速度方向发展。在高性能充放电系统领域，国内外都没有成熟的产品，而且，相关技术的研究，国内与国外研究水平还有较大差距。

目前，多数电动汽车充电机为单向系统，只从电网吸收能量，对电动汽车电池进行充电；随着电动汽车产业的大力发展，若采用V2G技术(Vehicle to Grid)，在电动汽车闲置时，若能充分发挥电动汽车的移动储能特性，为电网提供削峰填谷、调频、稳压等辅助服务，提高电网运行的经济性，将会促进电动汽车和智能电网的协调发展，这便需要充电机为双向系统，可充可放。

申请公布号为CN104953686A的中国发明专利申请文件公开了一种电动汽车储能充放电虚拟同步电机控制方法，针对连接电网和电动汽车电池之间的电动汽车充放电电路，采用了具有调频调压功能的电动汽车充放电控制方法，基于AC/DC+DC/DC两级拓扑电路实现。

但是上述专利文件所公开的技术方案中，充放电控制系统的控制策略比较复杂，实现起来繁琐，计算速度慢，对充放电指令的响应速度迟缓，不利于产品开发及工程应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电动汽车双向充放电控制系统及其控制方法，用于解决现有技术中电动汽车与电网交互时控制算法复杂、执行效率低及对充放电指令响应速度慢的问题。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种电动汽车双向充放电控制系统的控制方法，该控制方法包括DC/DC变换器控制策略和AC/DC变流器控制策略；

所述DC/DC变换器控制策略包括如下过程：将电网角频率的额定值与电网角频率的实际值作差，得到频率差值；将该频率差值经过第一调节器，将第一调节器的输出值作为电池电流的给定值，将电池电流的给定值与电池电流的实际值作差，该差值经过第二调节器，输出用于控制DC/DC变换器中开关管的控制信号；

所述AC/DC变流器将电网电压的实际值与电网电压的额定值作差，得到交流电压差值，将交流电压差值经过第三调节器，将第三调节器的输出值作为q轴电流的给定值，将q轴电流的给定值与q轴电流的实际值作差，经过第四调节器后输出q轴电流的校准值；将q轴电流的校准值与相应的d轴电流的校准值进行处理，输出用于控制AC/DC变流器中开关管的控制信号。

本发明提供的技术方案使充放电设备在满足对电动汽车电池快速充放电的同时，能够主动参与电网的一次调频、调压，并提供一定的有功和无功支撑；本发明所提供的技术方案简单可行且工作效率高，适合于产品开发及工程应用,能够解决现有技术中电动汽车与电网交互时控制算法复杂、执行效率低及对充放电指令响应速度慢的问题。

进一步的，还包括如下过程：计算一个开关周期内角频率的改变量Δω，将Δω与H_j之积叠加到所述第一调节器的输出值上；

其中P_N为充放电设备的额定功率，V_bat为电池电压，T_n为频率调节时间常数，ω为电网频率额定值。

将H_j倍的所述频率差值叠加至所述第一调节器的输出值上，对电动汽车双向充放电系统中DC/DC变换器中开关管的控制更加精确。

进一步的，还包括如下步骤：设定一个选择环，将该选择环的给定值与选择环的反馈值作差，差值经过选择环调节器后得到选择环的输出值，将选择环的输出值叠加至第一调节器的输出值上；其中，所述选择环的给定值为电池电流设定值、电池功率设定值或电池电压设定值，对应的反馈值为电池电流实时值、电池功率实时值和电池电压实时值。

将选择环的输出值叠加至所述第一调节器的输出值上，对电动汽车双向充放电系统中DC/DC变换器中开关管的控制更加精确。

进一步的，当电池处于恒流模式下，选择环的给定值为电池电流设定值。

进一步的，当电池处于恒功率模式下，选择环的设定值为电池功率设定值。

进一步的，当电池处于恒压模式下，选择环的设定值为电池电压设定值。

进一步的，还包括将第一调节器的输出值进行限幅控制的步骤；对第一调节器的输出值进行限幅控制时所采用的公式为：

-I_N≤I_{bat_ref}≤I_N

I_{bat_ref}＝I₂+I₁+I_{bat_ref0}

I₁＝Δω*H_j

其中I_N为充放电设备的最大电流，Δω为一个开关周期内角频率的改变量，I₂为第一调节器的输出值，I_{bat_ref0}为选择环电流指令I_{bat_ref0}。

对第一调节器的输出值限幅控制，能够消除第一调节器输出值中过大或过小的值，对电动汽车双向充放电系统中DC/DC变换器中开关管的控制更加精确。

进一步的，还包括将第三调节器的输出值进行限幅控制的步骤；在对第三调节器的输出值进行限幅控制时所采用的公式为：

-I_{qN_max}≤I_{q_ref}≤I_{qN_max}

其中I_{qN_max}为电动汽车双向充放电控制系统允许输出的最大无功电流，I_{q_ref}为第三调节器的输出值。

对第三调节器的输出值限幅控制，能够消除第三调节器输出值中过大或过小的值，对电动汽车双向充放电系统中DC/DC变换器中开关管的控制更加精确。

一种电动汽车双向充放电控制系统，包括控制器和存储器，以及串设的AC/DC变流器和DC/DC变换器，所述存储器上存储有用于在所述控制器上执行的计算机程序；所述控制器连接AC/DC变流器和DC/DC变换器中各开关管的控制端；其特征在于，所述控制器执行所述存储器上存储的计算机程序时，实现电动汽车双向充放电控制系统的控制方法；电动汽车双向充放电控制系统的控制方法包括DC/DC变换器控制策略和AC/DC变流器控制策略；

所述DC/DC变换器控制策略包括如下过程：将电网角频率的额定值与电网角频率的实际值作差，得到频率差值；将该频率差值经过第一调节器，将第一调节器的输出值作为电池电流的给定值，将电池电流的给定值与电池电流的实际值作差，该差值经过第二调节器，输出用于控制DC/DC变换器中开关管的控制信号；

所述AC/DC变流器将电网电压的实际值与电网电压的额定值作差，得到交流电压差值，将交流电压差值经过第三调节器，将第三调节器的输出值作为q轴电流的给定值，将q轴电流的给定值与q轴电流的实际值作差，经过第四调节器后输出q轴电流的校准值；将q轴电流的校准值与相应的d轴电流的校准值进行处理，输出用于控制AC/DC变流器中开关管的控制信号。

本发明提供的技术方案使充放电设备在满足对电动汽车电池快速充放电的同时，能够主动参与电网的一次调频、调压，并提供一定的有功和无功支撑；本发明所提供的技术方案简单可行且工作效率高，适合于产品开发及工程应用。

增加获取d轴电流校准值的过程，对电动汽车双向充放电系统中AC/DC变流器中开关管的控制更加精确。

进一步的，还包括如下过程：计算一个开关周期内角频率的改变量Δω，将Δω与H_j之积叠加到所述第一调节器的输出值上；

其中P_N为充放电设备的额定功率，V_bat为电池电压，T_n为频率调节时间常数，ω为电网频率额定值。

将H_j倍的所述频率差值叠加至所述第一调节器的输出值上，对电动汽车双向充放电系统中DC/DC变换器中开关管的控制更加精确。

进一步的，还包括如下步骤：设定一个选择环，将该选择环的给定值与选择环的反馈值作差，差值经过选择环调节器后得到选择环的输出值，将选择环的输出值叠加至第一调节器的输出值上；其中，所述选择环的给定值为电池电流设定值、电池功率设定值或电池电压设定值，对应的反馈值为电池电流实时值、电池功率实时值和电池电压实时值。

将选择环的输出值叠加至所述第一调节器的输出值上，对电动汽车双向充放电系统中DC/DC变换器中开关管的控制更加精确。

进一步的，当电池处于恒流模式下，选择环的给定值为电池电流设定值。

进一步的，当电池处于恒功率模式下，选择环的设定值为电池功率设定值。

进一步的，当电池处于恒压模式下，选择环的设定值为电池电压设定值。

进一步的，还包括将第一调节器的输出值进行限幅控制的步骤；对第一调节器的输出值进行限幅控制时所采用的公式为：

-I_N≤I_{bat_ref}≤I_N

I_{bat_ref}＝I₂+I₁+I_{bat_ref0}

I₁＝Δω*H_j

其中I_N为充放电设备的最大电流，Δω为一个开关周期内角频率的改变量，I₂为第一调节器的输出值，I_{bat_ref0}为选择环电流指令I_{bat_ref0}。

对第一调节器的输出值限幅控制，能够消除第一调节器输出值中过大或过小的值，对电动汽车双向充放电系统中DC/DC变换器中开关管的控制更加精确。

进一步的，还包括将第三调节器的输出值进行限幅控制的步骤；在对第三调节器的输出值进行限幅控制时所采用的公式为：

-I_{qN_max}≤I_{q_ref}≤I_{qN_max}

其中I_{qN_max}为电动汽车双向充放电控制系统允许输出的最大无功电流，I_{q_ref}为第三调节器的输出值。

对第三调节器的输出值限幅控制，能够消除第三调节器输出值中过大或过小的值，对电动汽车双向充放电系统中DC/DC变换器中开关管的控制更加精确。

附图说明

图1为本发明系统实施例中电动汽车双向充放电控制系统的结构原理图；

图2为本发明系统实施例中DC/DC变换器控制步骤的示意图；

图3为本发明系统实施例中AC/DC变流器控制步骤的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

系统实施例：

本实施例提供一种电动汽车双向充放电控制系统，包括控制器和存储器，以及串设的AC/DC变流器和DC/DC变换器，存储器上存储有用于在控制器上执行的计算机程序；控制器连接AC/DC变流器和DC/DC变换器中各开关管的控制端；控制器执行存储器上存储的计算机程序时实现电动汽车双向充放电控制系统的控制方法，满足对电动汽车快速充放电的同时，参与电网互动，具备电网调频调压的能力。

本实施例所提供的电动汽车双向充放电控制系统，其中AC/DC变流器和DC/DC变换器的结构如图1所示；AC/DC变流器采用的是ANPC变流器，其交流侧用于连接电网，直流侧连接DC/DC变换器的其中一端，DC/DC变换器的另一端连接车辆的动力电池。

电动汽车双向充放电控制系统中的控制器执行存储器上存储的计算机程序时，实现的电动汽车双向充放电控制系统的控制方法包括DC/DC变换器的控制策略和AC/DC变流器的控制策略。

DC/DC变换器的控制策略如图2所示，具体为：

计算当前电网的实际角频率ω₀，并将其与电网频率额定值ω作差，得到频率差值；

将频率差值输送到第一调节器进行计算，计算出的结果即为第一调节器的输出值；本实施例中第一调节器为PI调节器；

将第一调节器的输出值作为电池电流的给定值，将电池电流的给定值与电池电流的实际值作差，并将该差值输入到第二调节器进行计算，计算的结果即为第二调节器的输出值；本实施例中第二调节器为PI调节器；

根据第二调节器的输出值生成用于控制电动汽车双向充放电系统中DC/DC变换器中开关管的控制信号；本实施例中该控制信号为PWM调制波。

为了保证对DC/DC变换器控制的精度，本实施例中对第一调节器的输出值进行如下处理：

计算一个开关周期内角频率的改变量Δω，并根据如下公式计算出前馈系数H_j；

根据改变量Δω和前馈系数H_j计算出叠加量I₁，计算的公式为：

I₁＝Δω*H_j

将叠加量I₁叠加到第一调节器的输出值上，将叠加的结果作为电池电流的给定值。

作为对DC/DC变换器控制步骤的进一步改进，电动汽车双向充放电控制系统的控制方法还包括如下步骤：

将选择环的给定值与反馈值作差，差值经过选择环调节器，得到选择环的输出值；选择环调节器为PI调节器；

第一调节器的输出值叠加上叠加量I₁后，再叠加选择环的输出值，将叠加的结果作为电池电流的给定值。

根据电池的运行模式不同，选择环的给定值为电池电流设定值、电池功率设定值或电池电压设定值，对应的反馈值为电池电流实时值、电池功率实时值和电池电压实时值，如当电池的运行模式为恒流模式时，设电池电流的设定值为I_set，实际值为I_bat，所采用的选择环调节器的输出量为u(t)，则：

其中，e(t)＝I_set-I_bat为PI调节器的输入量，k_p为比例系数，k_i为积分系数。

当电池处于恒功率模式下，选择环的设定值为电池功率设定值，对应的反馈值为电池功率实时值。

当电池处于恒压模式下，选择环的设定值为电池电压设定值，对应的反馈值为电池电压实时值。

在得到电池电流的给定值后，根据充放电设备的最大电流对其进行限幅处理，限幅处理时所采用的公式为：

-I_N≤I_{bat_ref}≤I_N

I_{bat_ref}＝I₂+I₁+I_{bat_ref0}

其中I_{bat_ref0}为选择环电流指令，也是选择环的输出值，I₂为第一调节器的输出值，I_N为充放电设备的最大电流。

AC/DC变流器的控制策略如图3所示，具体为：

实时检测AC/DC变流器交流侧的交流电流Ia、Ib、Ic，并对其进行abc/dq变换，将其从abc坐标系下转换为dq坐标系下，设dq坐标系下，AC/DC变流器交流侧的交流电流的d轴坐标和q轴坐标分别为I_{d_fbk}和I_{q_fbk}；

检测电网电压的实际值V_{ac_rms}，将其与电网电压的额定值V_ref作差，得到交流电压差值；

将电压差值输入到第三调节器，第三调节器对其进行处理并输出输出值；本实施例中第三调节器为PI调节器；将第三的输出值作为q轴电流的给定值；

将q轴电流的给定值与q轴的实际电流的实际值作差，并将差值输入到第四调节器，第四调节器对其进行处理并输出q轴电流的校准值；第四调节器为PI调节器；

将AC/DC变流器直流侧电压的实时值与其直流侧电压的给定值作差，得到直流电压差值；

直流电压差值输入到第五调节器，第五调节器对其进行处理；第五调节器为PI调节器；

将第五调节器的输出值作为d轴电流的给定值，将d轴电流的给定值与d轴电流的实际值作差，并该将差值输入到第六调节器，第六调节器输出d轴电流的校准值；第六调节器为PI调节器；

根据第六调节器的输出值d轴电流校准值与第四调节器输出的q轴电流校准值，生产用于进行电动汽车双向充放电系统中AC/DC变流器中开关管的控制信号，本实施例中该控制信号为SVPWM波调制。

为了防止第四调节器的输入值过大，在得到第三调节器的输出值后，还对其进行限幅处理，处理时所采用的公式为：

-I_{qN_max}≤I_{q_ref}≤I_{qN_max}

其中I_{qN_max}为电动汽车双向充放电控制系统允许输出的最大无功电流，I_{q_ref}为第三调节器的输出值。

方法实施例：

本实施例提供一种电动汽车双向充放电控制系统的控制方法，与上述系统实施例中所提供的一种电动汽车双向充放电控制系统中控制器执行存储器上存储的计算机程序时实现的电动汽车双向充放电控制系统的控制方法相同。

Claims (5)

1.一种电动汽车双向充放电控制系统的控制方法，其特征在于，该控制方法包括DC/DC变换器控制策略和AC/DC变流器控制策略；

所述DC/DC变换器控制策略包括如下过程：将电网角频率的额定值与电网角频率的实际值作差，得到频率差值；将该频率差值经过第一调节器，将第一调节器的输出值作为电池电流的给定值，将电池电流的给定值与电池电流的实际值作差，该差值经过第二调节器，输出用于控制DC/DC变换器中开关管的控制信号；

所述AC/DC变流器将电网电压的实际值与电网电压的额定值作差，得到交流电压差值，将交流电压差值经过第三调节器，将第三调节器的输出值作为q轴电流的给定值，将q轴电流的给定值与q轴电流的实际值作差，经过第四调节器后输出q轴电流的校准值；将q轴电流的校准值与相应的d轴电流的校准值进行处理，输出用于控制AC/DC变流器中开关管的控制信号；

还包括如下步骤：设定一个选择环，将该选择环的给定值与选择环的反馈值作差，差值经过选择环调节器后得到选择环的输出值，将选择环的输出值叠加至第一调节器的输出值上；其中，所述选择环的给定值为电池电流设定值、电池功率设定值或电池电压设定值，对应的反馈值为电池电流实时值、电池功率实时值和电池电压实时值；当电池处于恒流模式下，选择环的给定值为电池电流设定值；当电池处于恒功率模式下，选择环的设定值为电池功率设定值；当电池处于恒压模式下，选择环的设定值为电池电压设定值。

2.根据权利要求1所述的电动汽车双向充放电控制系统的控制方法，其特征在于，还包括如下过程：计算一个开关周期内角频率的改变量Δω，将Δω与前馈系数H_j之积叠加到所述第一调节器的输出值上；

其中P_N为充放电设备的额定功率，V_bat为电池电压，T_n为频率调节时间常数，ω为电网频率额定值。

3.根据权利要求2所述的电动汽车双向充放电控制系统的控制方法，其特征在于，还包括：

将第一调节器的输出值进行限幅控制的步骤；对第一调节器的输出值进行限幅控制时所采用的公式为：

-I_N≤I_{bat_ref}≤I_N

I_{bat_ref}＝I₂+I₁+I_{bat_ref0}

I₁＝Δω*H_j

其中I_N为充放电设备的最大电流，Δω为一个开关周期内角频率的改变量，I₂为第一调节器的输出值，I_{bat_ref0}为选择环电流指令，I₁为叠加量。

4.根据权利要求1所述的电动汽车双向充放电控制系统的控制方法，其特征在于，还包括将第三调节器的输出值进行限幅控制的步骤；在对第三调节器的输出值进行限幅控制时所采用的公式为：

-I_{qN_max}≤I_{q_ref}≤I_{qN_max}

其中I_{qN_max}为电动汽车双向充放电控制系统允许输出的最大无功电流，I_{q_ref}为第三调节器的输出值。

5.一种电动汽车双向充放电控制系统，包括控制器和存储器，以及串设的AC/DC变流器和DC/DC变换器，所述存储器上存储有用于在所述控制器上执行的计算机程序；所述控制器连接AC/DC变流器和DC/DC变换器中各开关管的控制端；其特征在于，所述控制器执行所述存储器上存储的计算机程序时，实现如权利要求1-4任意一项所述的电动汽车双向充放电控制系统的控制方法。