CN111313401B - 一种基于哈密顿控制原理的非车载充放电控制系统及方法 - Google Patents

一种基于哈密顿控制原理的非车载充放电控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于哈密顿控制原理的非车载充放电控制系统及方法，应用于非车载充放电机实现电动汽车友好稳定的充放电控制。非车载充放电机采用双向DC/DC和DC/AC两级式主电路拓扑，在双向DC/AC接口中引入基于哈密顿原理的虚拟同步机控制方法，通过有功调节控制、转子运动控制、磁链控制、虚拟阻抗控制、电压电流环控制实现了充放电的无源化控制。本发明将哈密顿控制方法与虚拟同步机技术相结合，为非车载充放电提供了一种同时具备无源性和惯量友好性的新型控制系统，有利于充分发挥电动汽车的能源属性，提高对电动汽车与电网双向友好互动的能力，可为电动汽车参与电网频率、电压调节提供稳定可靠的接口保障。

Description

一种基于哈密顿控制原理的非车载充放电控制系统及方法
技术领域
本发明涉及非车载充电机领域，特别是一种基于哈密顿控制原理的非车载充放电控制系统及方法。
背景技术
近年来，电动汽车迅猛发展，其密集接入对电网带来了巨大挑战。电动汽车具备用电和储能两种能源属性，既是能源消费者也是能源供给者，充分利用大规模电动汽车接入时的能源属性，实现电动汽车充电集群的友好接入，对提高电动汽车的接入能力，保证电网安全稳定运行至关重要。虚拟同步机作为友好的电网接口，在电动汽车接入中发挥了越来越重要的作用。一种基于V2G技术的电动汽车参与电网调频控制方法(CN107196318A)、一种基于准PR控制的电动汽车虚拟同步机快充方法(CN1088879893A)、一种应用于电动汽车充电桩的负荷虚拟同步发电机系统及其控制方法(CN108599175A)、一种电动汽车储能充放电虚拟同步电机控制方法(CN104953686B)均提出了基于虚拟同步技术的充(放)电控制，但这些控制中没有考虑控制的无源性，控制设备参数的不合理将会导致电力系统的不稳定。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对现有的虚拟同步机控制均不能保证控制的无源性问题，提供一种基于哈密顿控制原理的非车载充放电控制系统。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于哈密顿控制原理的非车载充放电控制系统，包括有功调节控制模块、转子运动控制模块、磁链及虚拟阻抗控制模块、电压电流环控制模块，
所述的有功调节控制模块，用于根据电池运行特点与电网需求，调节输出，以跟踪功率给定的参考值Pm0；
转子运动控制模块，用于模拟同步发电机的惯性和阻尼；
磁链及虚拟阻抗控制模块，用于对输出虚拟阻抗的暂态x'dΣ和稳态xdΣ进行控制，以及根据哈密顿控制理论实现无源非线性控制；
电压电流环控制模块，用于对外环电压和内环电流进行双环解耦控制。
而且，所述的非车载充放电主电机采用双向DC/DC和DC/AC两级式主电路拓扑，DC/DC采用非隔离拓扑结构，DC/AC采用MMC多电平结构，并基于LC滤波器接入交流电网；
而且，所述功率给定的参考值Pm0值由电动汽车与电网互动控制系统给出，其动态方程如下式：
其中功率控制量ug根据哈密顿控制理论确定，表征如下式所示：
式中：z2＝(δs-δ)+(Pm-Pms)，δs、Pms分别为期望的稳态功角值和功率值。
而且，采用二阶机电运动方程形式，Pe由测量环节实施测量，其表达式如下：
式中：ω0代表系统稳态频率。
而且，所述非线性控制量uf的确定公式为：
udref＝xqiq-rid
uqref＝E′q-x′dΣid-riq
式中:xdΣ＝xd+xl，x'dΣ＝x'd+xl,xl为虚拟阻抗，xd、xq、x'd分别为虚拟同步发电机的d轴、q轴电抗及暂态电抗，控制量预置值控制系数/>
而且，所述对外环电压和内环电流进行双环解耦控制的表达式如下：
idref＝(kp1+ki1/s)(udref-ud)-ωCuq
iqref＝(kp2+ki2/s)(uqref-uq)+ωCud
udout＝(kp3+ki3/s)(idref-id)-ωLiq
uqout＝(kp4+ki4/s)(iqref-iq)+ωLid
式中：kp、ki分别为对应的比例和积分系数，C和L分别是LC滤波器的电容和电抗值。
一种基于哈密顿控制原理的非车载充放电控制方法，控制流程如下：
步骤1：控制系统接收电动汽车与电网互动系统主系统下发的控制模式和给定值Pm0，首先进入一阶惯性环节生成功率调节信号Pm；
步骤2：Pm与测量到的Pe信号比较经过虚拟惯量M和虚拟阻尼D的转子运动方程获得功角δ，将δ及Pm与稳态期望值得差值按照控制律ug反馈作用于功率调节的输入，保证跟踪的稳定；
步骤3：依照测量得到的电压电流信号与转子运动方程输出的δ信号，经abc/dq转化为dq电压和dq电流信号，将Id信号输入磁链及虚拟阻抗控制环节，经一阶励磁生成暂态电势E'q，并基于E'q和δ生成励磁控制律uf反馈作用于输入，将E'q经过虚拟阻抗生环节成dq电压参考信号udref和uqref；
步骤4：将参考信号与测量得到的dq电压信号比较经电压外环控制生成dq电流控制信号Idref和Iqref，再经过与测量得到的dq信号比较经内环电流控制生成控制信，经dq/abc转换生成PWM控制信号，再经PWM调制生成开关控制信号，控制主电路开关器件IGBT通断，完成充放电控制。
本发明的优点和积极效果是：
非车载充放电机基于哈密顿原理实现了无源化虚拟同步机控制的双向充放电调节。一方面通过对发电机功率调节、转子运动方程、磁链及虚拟阻抗的模拟，使充电机具备了惯量模拟和调频控制的能力，保证了非车载充放电机对电网的惯性友好；另一方面通过基于哈密顿原理实现了虚拟同步机的无源控制，以无源化控制的方式保证了充放电下的控制稳定性，提高了非车载充放电机对电网的稳定性。
本发明的非车载充放电机控制更加友好灵活，可以更好地实现对电动汽车群的友好控制，有利于充分发挥电动汽车的能源属性，提高对电动汽车与电网双向友好互动的能力，为电动汽车可靠地参与电网频率电压的稳定调节提供了坚强保证。
附图说明
图1是本发明基于哈密顿控制原理的虚拟同步非车载充放电机主电路结构；
图2为本发明基于哈密顿控制原理的虚拟同步发电机控制结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例做进一步详述：
本发明提出了一种基于哈密顿原理的虚拟同步非车载充放电方法，其将哈密顿控制方法与虚拟同步机技术相结合，为非车载充放电提供了一种同时具备无源性和惯量友好性的新型控制方法。
本发明的解决方案如下：
非车载充放电机采用双向DC/DC和DC/AC两级式主电路拓扑，DC/DC采用非隔离拓扑结构，DC/AC采用MMC多电平结构，并基于LC滤波器接入交流电网；
控制系统采用基于哈密顿原理的虚拟同步机结构，主要包括有功调节控制、转子运动控制、磁链控制、虚拟阻抗控制、电压电流环控制，各控制环节特征如下：
(1)有功调节控制环节：综合考虑综合电池运行特点与电网需求，调节输出以跟踪功率给定参考值Pm0，通过引入具有Ts时间常数的一阶惯性环节避免功率快速变化对电池形成的功率冲击，Pm0值由电动汽车与电网互动控制系统给出，其动态方程如下式：
其中功率控制量ug根据哈密顿控制理论确定，表征如下式所示：
式中：z2＝(δs-δ)+(Pm-Pms)，δs、Pms分别为期望的稳态功角值和功率值。
(2)转子运动控制环节：转子运动控制用于模拟同步发电机惯性和阻尼，采用二阶机电运动方程形式，Pe由测量环节实施测量，其表达式如下：
式中：ω0代表系统稳态频率。
(3)磁链及虚拟阻抗控制环节：磁链采用发电机一阶励磁控，一方面引入一阶惯性环节避免逆变器输出电压的波动，另一方面通过分别对输出虚拟阻抗的暂态x'dΣ和稳态xdΣ的控制，改善逆变器暂态和稳态的运行特性，提高逆变器输出电压的控制能力，并根据哈密顿控制理论确定非线性控制量uf：
udref＝xqiq-rid
uqref＝E′q-x′dΣid-riq
式中:xdΣ＝xd+xl，x'dΣ＝x'd+xl,xl为虚拟阻抗，xd、xq、x'd分别为虚拟同步发电机的d轴、q轴电抗及暂态电抗，控制量预置值控制系数/>
(4)电压电流控制环节：采用外环电压和内环电流的双环解耦控制，其表达式如下：
idref＝(kp1+ki1/s)(udref-ud)-ωCuq
iqref＝(kp2+ki2/s)(uqref-uq)+ωCud
udout＝(kp3+ki3/s)(idref-id)-ωLiq
uqout＝(kp4+ki4/s)(iqref-iq)+ωLid
式中：kp、ki分别为对应的比例和积分系数，C和L分别是LC滤波器的电容和电抗值。
参见图1，非车载直流充电机的主电路，采用双向DC/DC和DC/AC两级式主电路拓扑，并可根据功率需求进行模块并联叠加，直流侧连接电动汽车直流充电接口，交流侧连接电网，DC/DC变换采用非隔离拓扑结构，DC/AC采用了多电平拓扑结构。充电机按照电动汽车与电网互动系统及车载BMS协调控制要求，可进行充放电双向控制，电动汽车充电时DC/AC侧工作于整流模式，采用定直流电压和定交流电压控制，DC/DC根据需要可选择定电池电压/电流/功率模式，电动汽车放电时DC/DC侧采用定电容电压控制，DC/AC工作于逆变状态，采用定功率/频率和定交流电压及下垂控制模式。充电机通过交直流信号采集器，在交流采集三相电流、三相电压、输出功率，直流侧采集电容电压、电池电流、电池电压、电池功率提供控制系统使用。
参照图2，对基于哈密顿控制原理的虚拟同步发电机控制流程进一步说明，充放电控制在DC/DC侧采用常规控制方式，在DC/AC侧采用基于哈密顿控制原理的虚拟同步控制方式，其结构如附图2所示，控制流程如下：
步骤1：控制系统接收电动汽车与电网互动系统主系统下发的控制模式和给定值Pm0，首先进入一阶惯性环节生成功率调节信号Pm。
步骤2：Pm与测量到的Pe信号比较经过虚拟惯量M和虚拟阻尼D的转子运动方程获得功角δ，将δ及Pm与稳态期望值得差值按照控制律ug反馈作用于功率调节的输入，保证跟踪的稳定。
步骤3：依照测量得到的电压电流信号与转子运动方程输出的δ信号，经abc/dq转化为dq电压和dq电流信号，将Id信号输入磁链及虚拟阻抗控制环节，经一阶励磁生成暂态电势E'q，并基于E'q和δ生成励磁控制律uf反馈作用于输入，将E'q经过虚拟阻抗生环节成dq电压参考信号udref和uqref。
步骤4：将参考信号与测量得到的dq电压信号比较经电压外环控制生成dq电流控制信号Idref和Iqref，再经过与测量得到的dq信号比较经内环电流控制生成控制信，经dq/abc转换生成PWM控制信号，再经PWM调制生成开关控制信号，控制主电路开关器件IGBT通断，完成充放电控制。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请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、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、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。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于哈密顿控制原理的非车载充放电控制系统，其特征在于：包括有功调节控制模块、转子运动控制模块、磁链及虚拟阻抗控制模块、电压电流环控制模块，
所述的有功调节控制模块，用于根据电池运行特点与电网需求，调节输出，以跟踪给定的功率参考值Pm0；
转子运动控制模块，用于模拟同步发电机的惯性和阻尼；
磁链及虚拟阻抗控制模块，用于对输出虚拟阻抗的暂态x'dΣ和稳态xdΣ进行控制，以及根据哈密顿控制理论实现无源非线性控制；
电压电流环控制模块，用于对外环电压和内环电流进行双环解耦控制；
非车载充放电控制系统主电路采用双向DC/DC和DC/AC两级式主电路拓扑，DC/DC采用非隔离拓扑结构，DC/AC采用MMC多电平结构，并基于LC滤波器接入交流电网；
有功调节控制模块调节输出以跟踪给定的功率参考值Pm0，并通过引入具有Ts时间常数的一阶惯性环节避免功率冲击，其控制的动态方程如下式：
其中功率控制量ug根据哈密顿控制理论确定，表征如下式所示：
式中：z2＝(δs-δ)+(Pm-Pms)，δs、Pms分别为期望的稳态功角值和功率值，δ、Pm分别为虚拟控制的功角和机械功率；
磁链采用发电机一阶励磁控，并根据哈密顿控制理论确定非线性控制量uf，磁链控制动态方程和非线性控制量uf的确定公式为：
udref＝xqiq-rid
uqref＝Eq′-x′dΣid-riq
式中:xdΣ＝xd+xl，x'dΣ＝x'd+xl,xl为虚拟阻抗，xd、xq、x'd分别为虚拟同步发电机的d轴、q轴电抗及暂态电抗，控制量预置值uf0＝E'q0+Id0(xd-x'd)，控制系数/>E'q为暂态电势，udref、uqref分别为电压外环控制的参考电压；
而且，所述对外环电压和内环电流进行双环解耦控制的表达式如下：
idref＝(kp1+ki1/s)(udref-ud)-ωCuq
iqref＝(kp2+ki2/s)(uqref-uq)+ωCud
udout＝(kp3+ki3/s)(idref-id)-ωLiq
uqout＝(kp4+ki4/s)(iqref-iq)+ωLid
式中：kp、ki分别为对应的比例和积分系数，C和L分别是LC滤波器的电容和电抗值，idref、iqref分别为电流内环控制的参考电流，udout、uqout分别为电压电流控制输入的信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于哈密顿控制原理的非车载充放电控制系统，其特征在于：转子运动控制模块，采用二阶机电运动方程形式，其表达式如下：
式中：ω0代表系统稳态频率，D为虚拟阻尼，M为虚拟惯量。
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