CN117879014A - 一种电网谐波适应与电压支撑的直流充电桩及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及直流充电桩技术领域，提供一种电网谐波适应与电压支撑的直流充电桩及其控制方法，包括前级控制系统，用于调控直流充电桩的前级AC/DC整流器输出的直流侧电压；前级控制系统包括有功轴控制环路以及无功轴控制环路；在有功轴控制环路上的有功轴电压外环控制器和有功轴电流内环控制器之间设有谐波滤除单元；在无功轴控制环路上的无功轴电流控制器前设有电网电压调节器和最大电流约束单元；电网电压调节器，用于根据电网电压偏差确定第一无功参考电流；最大电流约束单元，用于根据针对储能电池的最大约束电流和有功参考电流，调整第一无功参考电流，得到第二无功参考电流。本申请能够提高直流充电桩对电网谐波环境的适应性和电网电压支撑能力。
Description
技术领域
本申请涉及直流充电桩技术领域，特别是涉及一种电网谐波适应与电压支撑的直流充电桩、电网谐波适应与电压支撑的直流充电桩的控制方法、装置、存储介质和计算机程序产品。
背景技术
随着环保意识的增强和可再生能源的发展，电动汽车逐渐成为替代传统燃油汽车的重要选择。而电动汽车的普及需要相应的充电设施来支持，这催生了直流充电桩的出现。
目前的直流充电桩大多侧重于快速充电技术。目前的直流充电桩对电网的谐波环境适应性差，导致直流侧纹波与交流侧谐波电流并网，且当电网电压存在波动时，一般借助静止无功发生器、电容器组等额外部件补偿电网电压，配电网建设成本较高。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种前级控制系统、对前级AC/DC整流器的调控方法、装置、存储介质、计算机程序产品和直流充电桩。
第一方面，本申请提供了一种电网谐波适应与电压支撑的直流充电桩，所述直流充电桩包括前级控制系统，所述前级控制系统用于调控直流充电桩的前级AC/DC整流器输出的直流侧电压；
所述前级控制系统包括有功轴控制环路以及无功轴控制环路；
在所述有功轴控制环路上的有功轴电压外环控制器和有功轴电流内环控制器之间设有谐波滤除单元；所述谐波滤除单元的谐振频率与所述直流侧电压存在的波纹的阶次和谐波的阶次相匹配；
在所述无功轴控制环路上的无功轴电流控制器前设有电网电压调节器以及最大电流约束单元；所述电网电压调节器，用于根据电网电压偏差确定第一无功参考电流；
所述最大电流约束单元，用于根据针对储能电池的最大约束电流以及有功参考电流，调整所述第一无功参考电流，得到第二无功参考电流；所述第二无功参考电流，用于调控所述直流侧电压。
在其中一个实施例中，所述最大电流约束单元在根据针对储能电池的最大约束电流以及有功参考电流，调整所述第一无功参考电流，得到第二无功参考电流，具体用于：
根据针对储能电池的最大约束电流以及有功参考电流，得到最大无功参考电流；
当所述第一无功参考电流小于所述最大无功参考电流时，将所述第一无功参考电流作为所述第二无功参考电流；
当所述第一无功参考电流大于所述最大无功参考电流时，将所述最大无功参考电流作为所述第二无功参考电流。
在其中一个实施例中，所述电网电压调节器在根据电网电压偏差确定第一无功参考电流时，具体用于：
获取正斜率特性的下垂系数；
根据所述电网电压偏差和所述下垂系数，确定所述第一无功参考电流。
在其中一个实施例中，所述直流充电桩包括如上述实施例所述的前级控制系统和所述前级AC/DC整流器；所述直流充电桩还包括后级控制系统、后级DC/DC直流变换器；
所述前级AC/DC整流器与所述后级DC/DC直流变换器相连；
所述前级控制系统，用于所述前级AC/DC整流器输出的直流侧电压；
所述后级控制系统，用于调控所述后级DC/DC直流变换器，使所述后级DC/DC直流变换器的输出电压满足储能电池的充电要求。
第二方面，本申请提供了一种电网谐波适应与电压支撑的直流充电桩的控制方法，应用于如上述实施例所述的直流充电桩，该方法包括：
当所述直流充电桩接入的电网处于谐波环境时，启动谐波滤除单元，滤除直流侧电压存在的波纹和谐波，得到有功参考电流；所述有功参考电流，用于调控所述直流侧电压；
当所述直流充电桩接入的电网电压存在波动时，启动电网电压调节器，根据电网电压偏差确定第一无功参考电流，并启动最大电流约束单元，根据针对储能电池的最大约束电流以及有功参考电流，调整所述第一无功参考电流，得到第二无功参考电流；所述第二无功参考电流，用于调控所述直流侧电压。
在其中一个实施例中，所述滤除直流侧电压存在的波纹和谐波，得到有功参考电流，包括：
获取初始有功参考电流；
根据传递函数，滤除所述初始有功参考电流直流侧电压存在的波纹和谐波，得到有功参考电流。
在其中一个实施例中，在获取初始有功参考电流之前，所述方法还包括：
获取比例积分；
获取直流侧电压参考值和直流侧电压值；
根据所述直流侧电压参考值和所述直流侧电压值，得到直流侧电压偏差；
根据所述直流侧电压偏差以及所述比例积分，得到所述初始有功参考电流。
在其中一个实施例中，所述根据针对储能电池的最大约束电流以及有功参考电流，调整所述第一无功参考电流，得到第二无功参考电流时，包括：
根据针对储能电池的最大约束电流以及有功参考电流，得到最大无功参考电流；
当所述第一无功参考电流小于所述最大无功参考电流时，将所述第一无功参考电流作为所述第二无功参考电流；
当所述第一无功参考电流大于所述最大无功参考电流时，将所述最大无功参考电流作为所述第二无功参考电流。
第三方面，本申请还提供了一种电网谐波适应与电压支撑的直流充电桩的控制装置，应用于如上述实施例所述的直流充电桩，该装置包括：
有功电流获取模块，当所述直流充电桩接入的电网处于谐波环境时，启动谐波滤除单元，滤除直流侧电压存在的波纹和谐波，得到有功参考电流；所述有功参考电流，用于调控所述直流侧电压；
无功电流获取模块，用于当所述充电桩接入的电网电压存在波动时，启动电网电压调节器，根据电网电压偏差确定第一无功参考电流，并启动最大电流约束单元，根据针对储能电池的最大约束电流以及有功参考电流，调整所述第一无功参考电流，得到第二无功参考电流；所述第二无功参考电流，用于调控所述直流侧电压。
第四方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行上述方法。
第五方面，本申请还提供了一种计算机程序产品。所述计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行上述方法。
本申请提供的电网谐波适应与电压支撑的直流充电桩，包括前级控制系统，用于调控直流充电桩的前级AC/DC整流器输出的直流侧电压；前级控制系统包括有功轴控制环路以及无功轴控制环路；在有功轴控制环路上的有功轴电压外环控制器和有功轴电流内环控制器之间设有谐波滤除单元；谐波滤除单元的谐振频率与直流侧电压存在的波纹的阶次和谐波的阶次相匹配；在无功轴控制环路上的无功轴电流控制器前设有电网电压调节器以及最大电流约束单元；电网电压调节器，用于根据电网电压偏差确定第一无功参考电流；最大电流约束单元，用于根据针对储能电池的最大约束电流以及有功参考电流，调整第一无功参考电流，得到第二无功参考电流；第二无功参考电流，用于调控直流侧电压。本案的前级控制系统，在有功轴控制环路上的有功轴电压外环控制器和有功轴电流内环控制器之间设有谐波滤除单元，以滤除直流侧电压存在的波纹和谐波，提高直流充电桩对电网的谐波环境的适应性；且当电网电压存在波动时，根据在无功轴控制环路上的无功轴电流控制器前设有的电网电压调节器以及最大电流约束单元，得到第二无功参考电流，用于调控直流侧电压，利用了直流充电桩接入时自身的无功容量补偿电网电压，提高电网电压支撑能力，不需要借助额外部件补偿电网电压，降低配电网建设成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一个实施例中直流充电桩系统的示意图；
图2为一个实施例中前级控制系统的示意图；
图3为一个实施例中前级控制系统的另一示意图；
图4为一个实施例中电网谐波适应与电压支撑的直流充电桩的控制方法的流程示意图；
图5为一个实施例中电网谐波适应与电压支撑的直流充电桩的控制装置的结构框图；
图6为一个实施例中后级控制系统的示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
如图1所示，直流充电桩系统一般采用两级式拓扑结构，主要包括电网侧等效电路（电网等效三相电压源vsa、vsb、vsc和等效阻抗Zs）、公共耦合点（Coupling of CommonPoint，PCC）、AC/DC整流器（LCL滤波电感Lf1、Lf2和电容Cf、三相半桥IGBT模块S1-S6、直流侧电容Cdc）以及用于调控AC/DC整流器的控制系统、DC/DC直流变换器（IGBT模块Sdc、滤波电感Ldc、续流二极管Ddc、电容Cbat）以及用于调控DC/DC直流变换器的控制系统、储能电池；其中，AC/DC整流器相较于DC/DC直流变换器而言，更接近电网，所以AC/DC整流器可以称为前级AC/DC整流器，DC/DC直流变换器称为后级DC/DC直流变换器，相应地，用于调控AC/DC整流器的控制系统可以称为前级控制系统，用于调控DC/DC直流变换器的控制系统可以称为后级控制系统。
直流充电桩系统从电网侧获取交流电，通过前级AC/DC整流器将交流电转为直流电，其中前级控制系统可以调控前级AC/DC整流器输出的直流侧电压，前级AC/DC整流器输出的直流电经过后级DC/DC直流变换器后，为储能电池充电，其中后级控制系统可以调控后级DC/DC直流变换器输出的电压，使后级DC/DC直流变换器的输出电压满足储能电池的充电要求。
前级控制系统可以实时采集3路直流信号和6路交流信号并进行坐标变换处理。3路直流信号包括储能电池直流电压Ubat、充电电流Ibat和整流器直流侧电压Udc；6路交流信号包括PCC并网点三相电压（包括图1示出的vga、vgb、vgc）、PCC并网点三相电流（包括图1示出的ia、ib、ic），并利用有功轴（可称为d轴）和无功轴（可称为q轴）同步旋转坐标变换，得到PCC并网点d轴三相电压vd、PCC并网点q轴三相电压vq、PCC并网点d轴并网三相电流id和PCC并网点q轴并网三相电流iq，其中有功轴和无功轴同步旋转坐标变换所需相位θpll可由PCC并网点三相电压（包括图1示出的vga、vgb、vgc）通过常规锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）输出获取。
前级控制系统根据3路直流信号、PCC并网点d轴三相电压vd、PCC并网点q轴三相电压vq、PCC并网点d轴并网三相电流id和PCC并网点q轴并网三相电流iq，调控前级AC/DC整流器输出的直流侧电压。
直流充电桩接入配电网通常运行环境复杂，整流器等谐波负载大量接入造成电网电压存在负序分量和5、7、11、13次谐波分量，进而造成直流侧电压存在2次纹波和6、12次谐波分量，并进一步产生相关频次的交流侧电流谐波注入，导致直流充电桩对电网的谐波环境的适应性较差，且无功负载投切时会造成电网电压波动现象，目前的直流充电桩系统的前级控制系统对前级AC/DC整流器输出的直流侧电压的调控功能比较局限，直流侧纹波与交流侧谐波电流并网，导致目前的直流充电桩对电网的谐波环境适应性差，且当电网电压存在波动时，一般借助静止无功发生器、电容器组等额外部件补偿电网电压，配电网建设成本较高。对此，本申请提供一种电网谐波适应与电压支撑的直流充电桩，该直流充电桩包括前级控制系统，该前级控制系统用于调控直流充电桩的前级AC/DC整流器输出的直流侧电压。
在其中一个实施例中，前级控制系统如图2所示，包括有功轴控制环路（d轴控制环路）以及无功轴控制环路（q轴控制环路）。在有功轴控制环路上的有功轴电压外环控制器和有功轴电流内环控制器之间设有谐波滤除单元（Band Notch Filter，BNF）；谐波滤除单元的谐振频率与直流侧电压存在的波纹的阶次和谐波的阶次相匹配。在无功轴控制环路上的无功轴电流控制器前设有电网电压调节器以及最大电流约束单元（Maximum CurrentLimiting，MCL），由此，在引入电网电压调节器之后，无功轴电流控制器可以视为无功轴内环部分，可以称为无功轴电流内环控制器；电网电压调节器，用于根据电网电压偏差确定第一无功参考电流；最大电流约束单元，用于根据针对储能电池的最大约束电流以及有功参考电流，调整第一无功参考电流，得到第二无功参考电流；第二无功参考电流，用于调控直流侧电压。
有功轴控制环路可以实现对电网的有功功率的调节。有功轴控制环路通常用于确保直流充电桩系统中的有功功率与电网的需求相匹配，同时维持直流充电桩系统的稳定性和可靠性。
无功轴控制环路可以实现对电网的无功功率的调节。无功轴控制环路通常用于确保直流充电桩系统中的无功功率与电网的需求相匹配，同时维持直流充电桩系统的稳定性和可靠性。
有功轴电流内环控制器的输入为有功参考电流idref与实际有功电流id的差值，输出为初始有功参考电流（d轴电流参考值）idr。
为了滤除直流侧电压存在的波纹和谐波，保证直流充电桩交直流侧部件以及配电网的安全可靠运行，可以在有功轴控制环路上的有功轴电压外环控制器和有功轴电流内环控制器之间设有具有特定频次谐波衰减特性的谐波滤除单元，减小谐波注入，谐波滤除单元的谐振频率与直流侧电压存在的波纹的阶次和谐波的阶次相匹配，例如谐波滤除单元可以为基于2倍、6倍和12倍基波频率作为谐振频率的带阻滤波器。
当直流充电桩（电动汽车充电桩）接入的电网处于谐波环境且不要求电网电压支撑时，谐波滤除单元启动工作，电网电压调节器未启动、不参与调控，因此，电网电压调节器输出的第一无功参考电流iqr不会输入最大电流约束单元，第二无功参考电流iqref等于0。谐波滤除单元启动工作后，初始有功参考电流idr经传递函数GBNF（s）滤除2次、6次和12次谐波分量（阻尼系数ξ取0.2，谐振角频率ωh如式（2）所示），并输出有功参考电流idr_F，获取过程如式（1）所示。
（1）
（2）
将谐波滤除单元输出的有功参考电流idr_F输入最大电流约束单元，最大电流约束单元可以直接将有功参考电流idr_F作为有功参考电流idref输出，给到有功轴电流内环控制器。有功轴电流内环控制器基于有功参考电流idref，得到有功轴控制结果，将有功轴控制结果输入到SPWM调制单元，SPWM调制单元根据有功轴控制结果，得到调制结果。基于调制结果，调控直流充电桩的前级AC/DC整流器输出的直流侧电压。
当直流充电桩接入的电网处于谐波环境且要求电网电压支撑时，可以启动电网电压调节器参与调控。电网电压调节器输出的第一无功参考电流iqr会输入最大电流约束单元；此时，输入至最大电流约束单元的电流包括：谐波滤除单元输出的有功参考电流idr_F以及第一无功参考电流iqr。
最大电流约束单元可以直接输出有功参考电流idref，给到有功轴电流内环控制器。有功轴电流内环控制器基于有功参考电流idref，得到有功轴控制结果，将有功轴控制结果输入到SPWM调制单元，SPWM调制单元根据有功轴控制结果和无功轴控制结果，得到调制结果。基于调制结果，调控直流充电桩的前级AC/DC整流器输出的直流侧电压。
至于第一无功参考电流iqr，最大电流约束单元可以根据针对储能电池的最大约束电流Imax以及有功参考电流idr_F，调整第一无功参考电流iqr，得到第二无功参考电流iqref，从而实现基于有功功率的优先控制，给出储能电池最大容量限制下的第二无功参考电流iqref。将第二无功参考电流iqref输入无功轴电流内环控制器，得到无功轴控制结果，将无功轴控制结果输入到SPWM调制单元，SPWM调制单元根据有功轴控制结果和无功轴控制结果，得到调制结果。基于调制结果，调控直流充电桩的前级AC/DC整流器输出的直流侧电压。
上述电网谐波适应与电压支撑的直流充电桩，包括前级控制系统，该前级控制系统在有功轴控制环路上的有功轴电压外环控制器和有功轴电流内环控制器之间设有谐波滤除单元，以滤除直流侧电压存在的波纹和谐波，提高直流充电桩对电网的谐波环境的适应性；且当电网电压存在波动时，根据在无功轴控制环路上的无功轴电流控制器前设有的电网电压调节器以及最大电流约束单元，得到第二无功参考电流，用于调控直流侧电压，利用了直流充电桩接入时自身的无功容量补偿电网电压，提高电网电压支撑能力，不需要借助额外部件补偿电网电压，降低配电网建设成本。
可以为电网电压调节器设置调节开关Sv，在调节开关Sv置0的情况下，第一无功参考电流iqr不输入至最大电流约束单元，电网电压调节器不工作、不参与调控；在调节开关Sv置1的情况下，第一无功参考电流iqr可以输入至最大电流约束单元（Maximum CurrentLimiting，MCL），此时电网电压调节器被启动、参与调控。
具体地，当直流充电桩接入的电网处于谐波环境且不要求电网电压支撑时，谐波滤除单元启动工作，调节开关Sv置0，电网电压调节器未启动、不参与调控，因此，电网电压调节器输出的第一无功参考电流iqr不会输入最大电流约束单元，第二无功参考电流iqref等于0。
谐波滤除单元启动工作后，将直流侧电压参考值Udcref（如取值1000V）与直流侧电压Udc的差值输入有功轴电压外环控制器，有功轴电压外环控制器可以包括图3所示的比例积分控制器，采用比例积分控制（如比例系数kpd取值1、积分系数kid取值10），将直流侧电压参考值Udcref与直流侧电压Udc的差值与有功轴电压外环控制器对应的比例积分相乘，可以得到初始有功参考电流idr；有功轴电压外环控制器，也可以称为直流电压控制器；将初始有功参考电流idr输入谐波滤除单元，初始有功参考电流idr经传递函数GBNF（s）滤除2次、6次和12次谐波分量，可以得到有功参考电流idr_F；将有功参考电流idr_F输入最大电流约束单元，最大电流约束单元可以直接输出有功参考电流idref，给到有功轴电流内环控制器。有功轴电流内环控制器可以包括图3所示的比例积分控制器，采用比例积分控制（如比例系数kpc取值5、积分系数kic取值50），输入值为有功参考电流idref与有功实际电流即d轴并网三相电流id的差值，将有功参考电流idref与有功实际电流即d轴并网三相电流id的差值与有功轴电流内环控制器对应的比例积分相乘，可以得到有功轴控制结果，将有功轴控制结果输入到SPWM调制单元，SPWM调制单元根据有功轴控制结果，得到调制结果。基于调制结果，调控直流充电桩的前级AC/DC整流器输出的直流侧电压。
当直流充电桩接入的电网处于谐波环境且要求电网电压支撑时，谐波滤除单元启动工作，且可以将调节开关Sv置1，启动电网电压调节器参与调控。此时有功轴控制环路以及无功轴控制环路的所有部件都处于工作状态，在有功轴控制环路中，将直流侧电压参考值Udcref（如取值1000V）与直流侧电压Udc的差值输入有功轴电压外环控制器，有功轴电压外环控制器可以包括图3所示的比例积分控制器，采用比例积分控制（如比例系数kpd取值1、积分系数kid取值10），将直流侧电压参考值Udcref与直流侧电压Udc的差值与有功轴电压外环控制器对应的比例积分相乘，可以得到初始有功参考电流idr；将初始有功参考电流idr输入谐波滤除单元，初始有功参考电流idr经传递函数GBNF（s）滤除2次、6次和12次谐波分量，可以得到有功参考电流idr_F；将有功参考电流idr_F输入最大电流约束单元。
在无功轴控制环路中，将电网电压偏差输入电网电压调节器，即将公共耦合点（Coupling of Common Point，PCC）电压幅值Vg与电网电压参考幅值Vgref的差值输入电网电压调节器，电网电压调节器可以包括图3所示的下垂控制器，采用正斜率特性的下垂控制（如下垂系数Kq取值5），将电网电压偏差与下垂系数相乘，可以得到第一无功参考电流iqr，第一无功参考电流iqr经过调节开关Sv输入最大电流约束单元。
此时，输入至最大电流约束单元的电流包括：谐波滤除单元输出的有功参考电流idr_F以及第一无功参考电流iqr，最大电流约束单元可以直接输出有功参考电流idref，给到有功轴电流内环控制器。有功轴电流内环控制器可以包括图3所示的比例积分控制器，采用比例积分控制（如比例系数kpc取值5、积分系数kic取值50），输入值为有功参考电流idref与有功实际电流即d轴并网三相电流id的差值，将有功参考电流idref与有功实际电流即d轴并网三相电流id的差值与有功轴电流内环控制器对应的比例积分相乘，可以得到有功轴控制结果，将有功轴控制结果输入到SPWM调制单元。
至于第一无功参考电流iqr，最大电流约束单元可以根据针对储能电池的最大约束电流Imax以及有功参考电流idr_F，调整第一无功参考电流iqr，得到第二无功参考电流iqref，从而实现基于有功功率的优先控制，给出储能电池最大容量限制下的第二无功参考电流iqref。将第二无功参考电流iqref输入无功轴电流内环控制器，无功轴电流内环控制器可以包括图3所示的比例积分控制器，采用比例积分控制（如比例系数kpc取值5、积分系数kic取值50），输入值为无功参考电流iqref与无功实际电流即q轴并网三相电流iq的差值，将无功参考电流iqref与无功实际电流即q轴并网三相电流iq的差值与无功轴电流内环控制器对应的比例积分相乘，可以得到无功轴控制结果，将无功轴控制结果输入到SPWM调制单元。
SPWM调制单元根据有功轴控制结果和无功轴控制结果，得到调制结果。基于调制结果，调控直流充电桩的前级AC/DC整流器输出的直流侧电压。其中，通过比例积分（PI）控制后，即得到有功轴控制结果和无功轴控制结果后，可以经电压前馈vgd和vgq以及解耦环节±ωLf1 id、±ωLf1/>iq输出Udr和Uqr；再经过dq同步旋转坐标反变换得到Uar、Ubr和Ucr，dq同步旋转坐标反变换所需相位θpll可由vabc通过常规锁相环输出获取，将Uar、Ubr和Ucr输入SPWM调制单元后，可以得到调制结果。基于调制结果，调控直流充电桩的前级AC/DC整流器输出的直流侧电压。
在其中一个实施例中，最大电流约束单元在根据针对储能电池的最大约束电流以及有功参考电流，调整第一无功参考电流，得到第二无功参考电流时，具体用于：根据针对储能电池的最大约束电流以及有功参考电流，得到最大无功参考电流；当第一无功参考电流小于最大无功参考电流时，将第一无功参考电流作为第二无功参考电流；当第一无功参考电流大于最大无功参考电流时，将最大无功参考电流作为第二无功参考电流。
示例性地，根据针对储能电池的最大约束电流Imax以及有功参考电流idr_F，得到最大无功参考电流；同时考虑有功电流优先控制与针对储能电池的最大电流约束条件，得到第二无功参考电流iqref，获取过程如式（3）所示，当第一无功参考电流iqr小于最大无功参考电流/>时，将第一无功参考电流iqr作为第二无功参考电流iqref；当第一无功参考电流iqr大于最大无功参考电流/>时，将最大无功参考电流/>作为第二无功参考电流iqref。
（3）
本实施例中，可以基于有功功率的优先控制，给出储能电池最大容量限制下第二无功参考电流的取值，可以根据电网电压变化自适应地实现最大限度的定量无功支撑，保证直流充电桩交直流侧部件以及配电网的安全可靠运行。
在其中一个实施例中，电网电压调节器在根据电网电压偏差确定第一无功参考电流时，具体用于：获取正斜率特性的下垂系数；根据电网电压偏差和下垂系数，确定第一无功参考电流。
可以获取正斜率特性的下垂系数Kq，将公共耦合点电压幅值Vg与电网电压参考幅值Vgref的差值作为电网电压偏差，根据电网电压偏差Vg-Vgref和下垂系数Kq，确定第一无功参考电流iqr，计算公式如下式（4）所示。
（4）
本实施例中，可以利用电网电压偏差快速获取第一无功参考电流，自适应地快速实现直流充电桩的双向无功电流注入，提高直流充电桩对电网电压波动的支撑能力。
在一个实施例中，直流充电桩包括如上述实施例的前级控制系统和前级AC/DC整流器；直流充电桩还包括后级控制系统、后级DC/DC直流变换器；前级AC/DC整流器与后级DC/DC直流变换器相连；前级控制系统，用于调控前级AC/DC整流器输出的直流侧电压；后级控制系统，用于调控后级DC/DC直流变换器，使后级DC/DC直流变换器的输出电压满足储能电池的充电要求。
如图1所示，直流充电桩（也可以称为直流充电桩系统）采用两级式拓扑结构，主要包括电网侧等效电路（电网等效三相电压源vsa、vsb、vsc和等效阻抗Zs）、公共耦合点（Coupling of Common Point，PCC）、前级AC/DC整流器（LCL滤波电感Lf1、Lf2和电容Cf、三相半桥IGBT模块S1-S6、直流侧电容Cdc）、前级控制系统、后级DC/DC直流变换器（IGBT模块Sdc、滤波电感Ldc、续流二极管Ddc）、后级控制系统和储能电池。其中前级控制系统，用于调控前级AC/DC整流器输出的直流侧电压；后级控制系统，用于调控后级DC/DC直流变换器，使后级DC/DC直流变换器的输出电压满足储能电池的充电要求。相比于单级式充电桩并网系统，两级式充电桩系统可将前级整流器和后级直流变换器分开解耦控制，同时降低储能电池直流电压的要求，控制上更加灵活。
随着直流充电桩接入电网比例大幅增加，为了提升电网安全与可靠性，直流充电桩系统通常采取定功率控制来对储能电池进行充电。
直流充电桩在常规充电运行时，前级AC/DC整流器采用直流电压控制器作为外环（iqref=0），有功轴电流内环控制器（d轴电流控制器）和无功轴电流内环控制器（q轴电流控制器）作为内环；后级DC/DC变换器采用功率控制器，基于设定功率Pset完成对储能电池的充电工作，输出占空比D的获取过程如式（5）所示，储能电池实际充电功率Pbat的计算过程如式（6）所示。
（5）
（6）
直流充电桩中的后级控制系统如图4所示，主要包括充电功率控制器模块。其中，充电功率控制器采用比例积分控制（如比例系数kpP取1、积分系数kiP取10），输入值为充电功率设定值Pset与实际充电功率Pbat的差值，输出为占空比D；Pbat为储能电池直流电压Ubat及其充电电流Ibat的乘积。
本申请提供的前级控制系统，保证直流充电桩在常规充电模式、以及存在电网背景谐波与电压波动工况下均具有良好的控制效果，大幅提升直流充电桩和接入电网的稳定运行能力。
在一个示例性的实施例中，如图5所示，提供了一种电网谐波适应与电压支撑的直流充电桩的控制方法，可以应用于上述实施例的直流充电桩，其中：
步骤S501，当直流充电桩接入的电网处于谐波环境时，启动谐波滤除单元，滤除直流侧电压存在的波纹和谐波，得到有功参考电流；有功参考电流，用于调控直流侧电压。
当直流充电桩接入的电网处于谐波环境时，会导致直流侧纹波与交流侧谐波电流并网，此时可以启动谐波滤除单元，滤除直流侧电压存在的波纹和谐波，得到有功参考电流idr_F，以用于调控直流侧电压。
当直流充电桩（电动汽车充电桩）接入的电网处于谐波环境且不要求电网电压支撑时，谐波滤除单元启动工作，电网电压调节器未启动、不参与调控，因此，电网电压调节器输出的第一无功参考电流iqr不会输入最大电流约束单元，第二无功参考电流iqref等于0。谐波滤除单元启动工作后，初始有功参考电流idr经传递函数GBNF（s）滤除2次、6次和12次谐波分量（阻尼系数ξ取0.2，谐振角频率ωh如式（2）所示），并输出有功参考电流idr_F，获取过程如式（1）所示。
（1）
（2）
将谐波滤除单元输出的有功参考电流idr_F输入最大电流约束单元，最大电流约束单元可以直接将有功参考电流idr_F作为有功参考电流idref输出，给到有功轴电流内环控制器。有功轴电流内环控制器基于有功参考电流idref，得到有功轴控制结果，将有功轴控制结果输入到SPWM调制单元，SPWM调制单元根据有功轴控制结果，得到调制结果。基于调制结果，调控直流充电桩的前级AC/DC整流器输出的直流侧电压。
步骤S502，当直流充电桩接入的电网电压存在波动时，启动电网电压调节器，根据电网电压偏差确定第一无功参考电流，并启动最大电流约束单元，根据针对储能电池的最大约束电流以及有功参考电流，调整第一无功参考电流，得到第二无功参考电流；第二无功参考电流，用于调控直流侧电压。
直流充电桩在进行无功负载投切时会造成电网电压波动现象，为了保证直流充电桩交直流侧部件以及配电网的安全可靠运行，可以在无功轴控制环路上的无功轴电流控制器前设有电网电压调节器以及最大电流约束单元。
当直流充电桩接入的电网处于谐波环境且要求电网电压支撑时，可以启动电网电压调节器参与调控。电网电压调节器输出的第一无功参考电流iqr会输入最大电流约束单元；此时，输入至最大电流约束单元的电流包括：谐波滤除单元输出的有功参考电流idr_F以及第一无功参考电流iqr。
最大电流约束单元可以直接输出有功参考电流idref，给到有功轴电流内环控制器。有功轴电流内环控制器基于有功参考电流idref，得到有功轴控制结果，将有功轴控制结果输入到SPWM调制单元，SPWM调制单元根据有功轴控制结果和无功轴控制结果，得到调制结果。基于调制结果，调控直流充电桩的前级AC/DC整流器输出的直流侧电压。
至于第一无功参考电流iqr，最大电流约束单元可以根据针对储能电池的最大约束电流Imax以及有功参考电流idr_F，调整第一无功参考电流iqr，得到第二无功参考电流iqref，从而实现基于有功功率的优先控制，给出储能电池最大容量限制下的第二无功参考电流iqref。将第二无功参考电流iqref输入无功轴电流内环控制器，得到无功轴控制结果，将无功轴控制结果输入到SPWM调制单元，SPWM调制单元根据有功轴控制结果和无功轴控制结果，得到调制结果。基于调制结果，调控直流充电桩的前级AC/DC整流器输出的直流侧电压。
上述对电网谐波适应与电压支撑的直流充电桩的控制方法，当直流充电桩接入的电网处于谐波环境时，启动谐波滤除单元，滤除直流侧电压存在的波纹和谐波，提高直流充电桩对电网的谐波环境的适应性；且当电网电压存在波动时，根据在无功轴控制环路上的无功轴电流控制器前设有的电网电压调节器以及最大电流约束单元，得到第二无功参考电流，用于调控直流侧电压，利用了直流充电桩接入时自身的无功容量补偿电网电压，提高电网电压支撑能力，不需要借助额外部件补偿电网电压，降低配电网建设成本。
在其中一个实施例中，滤除直流侧电压存在的波纹和谐波，得到有功参考电流，具体步骤如下：获取初始有功参考电流；根据传递函数，滤除初始有功参考电流直流侧电压存在的波纹和谐波，得到有功参考电流。
示例性地，获取初始有功参考电流idr，初始有功参考电流idr经传递函数GBNF（s）滤除2次、6次和12次谐波分量（阻尼系数ξ取0.2，谐振角频率ωh如式（2）所示），并输出有功参考电流idr_F，获取过程如式（1）所示，此时无功参考电流iqref仍等于0。
（1）
（2）
本实施例中，根据初始有功参考电流和传递函数，滤除直流侧电压存在的波纹和谐波，实现配电网谐波环境下的双向电流高质量并网，对于稳定充电桩的直流侧电压和并网接入有积极作用，提高直流充电桩对电网的谐波环境的适应性，保证直流充电桩交直流侧部件以及配电网的安全可靠运行。
在其中一个实施例中，在获取初始有功参考电流之前，本申请提供的方法还包括：获取比例积分；获取直流侧电压参考值和直流侧电压值；根据直流侧电压参考值和直流侧电压值，得到直流侧电压偏差；根据直流侧电压偏差以及比例积分，得到初始有功参考电流。
示例性地，获取比例积分kpd，获取直流侧电压参考值Udcref和直流侧电压值Udc，根据直流侧电压参考值Udcref和直流侧电压值Udc，得到直流侧电压偏差Udcref-Udc，根据直流侧电压偏差Udcref-Udc以及比例积分kpd，得到初始有功参考电流idr，具体如式（7）所示。
（7）
在其中一个实施例中，所述根据针对储能电池的最大约束电流以及有功参考电流，调整第一无功参考电流，得到第二无功参考电流，具体步骤如下：根据针对储能电池的最大约束电流以及有功参考电流，得到最大无功参考电流；当第一无功参考电流小于最大无功参考电流时，将第一无功参考电流作为第二无功参考电流；当第一无功参考电流大于最大无功参考电流时，将最大无功参考电流作为第二无功参考电流。
示例性地，根据针对储能电池的最大约束电流Imax以及有功参考电流idr_F，得到最大无功参考电流同时考虑有功电流优先控制与针对储能电池的最大电流约束条件，得到第二无功参考电流iqref，获取过程如式（3）所示，当第一无功参考电流iqr小于最大无功参考电流/>时，将第一无功参考电流iqr作为第二无功参考电流iqref；当第一无功参考电流iqr大于最大无功参考电流/>时，将最大无功参考电流/>作为第二无功参考电流iqref。
（3）/>
本实施例中，可以基于有功功率的优先控制，给出储能电池最大容量限制下第二无功参考电流的取值，可以根据电网电压变化自适应地实现最大限度的定量无功支撑。
应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的电网谐波适应与电压支撑的直流充电桩的控制方法的电网谐波适应与电压支撑的直流充电桩的控制装置。该装置所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个电网谐波适应与电压支撑的直流充电桩的控制装置实施例中的具体限定可以参见上文中对于电网谐波适应与电压支撑的直流充电桩的控制方法的限定，在此不再赘述。
在一个示例性的实施例中，如图6所示，提供了一种电网谐波适应与电压支撑的直流充电桩的控制装置，应用于如上述实施例所述的直流充电桩，其中：
有功电流获取模块601，当所述直流充电桩接入的电网处于谐波环境时，启动谐波滤除单元，滤除直流侧电压存在的波纹和谐波，得到有功参考电流；所述有功参考电流，用于调控所述直流侧电压；
无功电流获取模块602，用于当所述直流充电桩接入的电网电压存在波动时，启动电网电压调节器，根据电网电压偏差确定第一无功参考电流，并启动最大电流约束单元，根据针对储能电池的最大约束电流以及有功参考电流，调整所述第一无功参考电流，得到第二无功参考电流；所述第二无功参考电流，用于调控所述直流侧电压。
在其中一个实施例中，有功电流获取模块601，还用于：获取初始有功参考电流；根据传递函数，滤除所述初始有功参考电流直流侧电压存在的波纹和谐波，得到有功参考电流。
在其中一个实施例中，有功电流获取模块601，还用于：获取比例积分；获取直流侧电压参考值和直流侧电压值；根据所述直流侧电压参考值和所述直流侧电压值，得到直流侧电压偏差；根据所述直流侧电压偏差以及所述比例积分，得到所述初始有功参考电流。
在其中一个实施例中，无功电流获取模块602，还用于：根据针对储能电池的最大约束电流以及有功参考电流，得到最大无功参考电流；当所述第一无功参考电流小于所述最大无功参考电流时，将所述第一无功参考电流作为所述第二无功参考电流；当所述第一无功参考电流大于所述最大无功参考电流时，将所述最大无功参考电流作为所述第二无功参考电流。
上述电网谐波适应与电压支撑的直流充电桩的控制装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种电网谐波适应与电压支撑的直流充电桩，其特征在于，所述直流充电桩包括前级控制系统，所述前级控制系统用于调控直流充电桩的前级AC/DC整流器输出的直流侧电压；
所述前级控制系统包括有功轴控制环路以及无功轴控制环路；
在所述有功轴控制环路上的有功轴电压外环控制器和有功轴电流内环控制器之间设有谐波滤除单元；所述谐波滤除单元的谐振频率与所述直流侧电压存在的波纹的阶次和谐波的阶次相匹配；
在所述无功轴控制环路上的无功轴电流控制器前设有电网电压调节器以及最大电流约束单元；所述电网电压调节器，用于根据电网电压偏差确定第一无功参考电流；
所述最大电流约束单元，用于根据针对储能电池的最大约束电流以及有功参考电流，调整所述第一无功参考电流，得到第二无功参考电流；所述第二无功参考电流，用于调控所述直流侧电压。
2.根据权利要求1所述的直流充电桩，其特征在于，所述最大电流约束单元在根据针对储能电池的最大约束电流以及有功参考电流，调整所述第一无功参考电流，得到第二无功参考电流时，具体用于：
根据针对储能电池的最大约束电流以及有功参考电流，得到最大无功参考电流；
当所述第一无功参考电流小于所述最大无功参考电流时，将所述第一无功参考电流作为所述第二无功参考电流；
当所述第一无功参考电流大于所述最大无功参考电流时，将所述最大无功参考电流作为所述第二无功参考电流。
3.根据权利要求1所述的直流充电桩，其特征在于，所述电网电压调节器在根据电网电压偏差确定第一无功参考电流时，具体用于：
获取正斜率特性的下垂系数；
根据所述电网电压偏差和所述下垂系数，确定所述第一无功参考电流。
4.根据权利要求1所述的直流充电桩，其特征在于，所述直流充电桩包括如权利要求1所述的前级控制系统和所述前级AC/DC整流器；所述直流充电桩还包括后级控制系统、后级DC/DC直流变换器；
所述前级AC/DC整流器与所述后级DC/DC直流变换器相连；
所述前级控制系统，用于调控所述前级AC/DC整流器输出的直流侧电压；
所述后级控制系统，用于调控所述后级DC/DC直流变换器，使所述后级DC/DC直流变换器的输出电压满足储能电池的充电要求。
5.一种电网谐波适应与电压支撑的直流充电桩的控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1所述的直流充电桩，所述方法包括：
当所述直流充电桩接入的电网处于谐波环境时，启动谐波滤除单元，滤除直流侧电压存在的波纹和谐波，得到有功参考电流；所述有功参考电流，用于调控所述直流侧电压；
当所述直流充电桩接入的电网电压存在波动时，启动电网电压调节器，根据电网电压偏差确定第一无功参考电流，并启动最大电流约束单元，根据针对储能电池的最大约束电流以及有功参考电流，调整所述第一无功参考电流，得到第二无功参考电流；所述第二无功参考电流，用于调控所述直流侧电压。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述滤除直流侧电压存在的波纹和谐波，得到有功参考电流，包括：
获取初始有功参考电流；
根据传递函数，滤除所述初始有功参考电流直流侧电压存在的波纹和谐波，得到有功参考电流。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在获取初始有功参考电流之前，所述方法还包括：
获取比例积分；
获取直流侧电压参考值和直流侧电压值；
根据所述直流侧电压参考值和所述直流侧电压值，得到直流侧电压偏差；
根据所述直流侧电压偏差以及所述比例积分，得到所述初始有功参考电流。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据针对储能电池的最大约束电流以及有功参考电流，调整所述第一无功参考电流，得到第二无功参考电流，包括：
根据针对储能电池的最大约束电流以及有功参考电流，得到最大无功参考电流；
当所述第一无功参考电流小于所述最大无功参考电流时，将所述第一无功参考电流作为所述第二无功参考电流；
当所述第一无功参考电流大于所述最大无功参考电流时，将所述最大无功参考电流作为所述第二无功参考电流。
9.一种电网谐波适应与电压支撑的直流充电桩的控制装置，其特征在于，应用于如权利要求1所述的直流充电桩，所述装置包括：
有功电流获取模块，当所述直流充电桩接入的电网处于谐波环境时，启动谐波滤除单元，滤除直流侧电压存在的波纹和谐波，得到有功参考电流；所述有功参考电流，用于调控所述直流侧电压；
无功电流获取模块，用于当所述充电桩接入的电网电压存在波动时，启动电网电压调节器，根据电网电压偏差确定第一无功参考电流，并启动最大电流约束单元，根据针对储能电池的最大约束电流以及有功参考电流，调整所述第一无功参考电流，得到第二无功参考电流；所述第二无功参考电流，用于调控所述直流侧电压。
10.一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，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求5至8中任一项所述的方法的步骤。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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