CN119834331B

CN119834331B - 含v2g充电桩的微电网协同控制方法、系统及电子设备

Info

Publication number: CN119834331B
Application number: CN202510322151.7A
Authority: CN
Inventors: 杨柳青; 贺静; 张一彦; 何涛; 吴素我; 张鹏; 王育飞; 周冲成; 计喆; 钱忠; 樊子晖
Original assignee: State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd
Priority date: 2025-03-19
Filing date: 2025-03-19
Publication date: 2025-06-06
Anticipated expiration: 2045-03-19
Also published as: CN119834331A

Abstract

本发明涉及电动汽车技术领域，尤其是涉及一种含V2G充电桩的微电网协同控制方法、系统及电子设备。该方法将获取的状态变量和控制变量输入预设的非线性控制器得到控制调节量，进而获取交流电网AC/DC双向变换器、光伏DC/DC升压变换器和电动汽车V2G充电桩双向变换器的开关量，实现电动汽车V2G充电桩与新能源协同控制；非线性控制器根据基于电动汽车V2G充电桩的直流微电网广义耗散汉密尔顿方程与状态变量期望轨迹方程获取，状态变量期望轨迹方程用于动态调节非线性控制器的注入阻尼参数、增益参数和积分参数。与现有技术相比，本发明具有形式简单、响应快速、稳定性好，易于解决工程实际问题等优点。

Description

含V2G充电桩的微电网协同控制方法、系统及电子设备

技术领域

本发明涉及电动汽车技术领域，尤其是涉及一种含V2G充电桩的微电网协同控制方法、系统及电子设备。

背景技术

随着环保意识的提升与能源转型的推进，电动汽车V2G充电桩大规模接入以及新能源在微电网中的整合，成为当下新型电力系统发展的重要趋势。电动汽车经V2G充电桩接入，可以作为大规模分布式储能装置在微电网中广泛应用，可以实现新能源发电波动情形下微电网直流母线电压平稳控制，维持微电网接入配电网系统的安全可靠运行。

现有电动汽车V2G充电桩和新能源协同控制方法主要采用PI控制方法和增益调度控制方法。PI控制方法结构简单，但控制器设计依赖于非线性系统稳定工作点附近线性化前提，因此稳定域较窄，工程应用受限。增益调度控制方法采用局部线性化方式，将非线性系统分别在多个稳态工作点进行线性化，基于局部控制器对调度参数进行插值，得到全局最优增益调度控制器。增益调度控制方法设计灵活，但在外部发生不确定性扰动情形下，当调度变量快速变化时，将大幅增加插值精确求取难度和算力需求。因此，如何在确保非线性控制方法结构简单、响应快速、稳定性好的前提下，实现电动汽车V2G充电桩与新能源协同运行，进而确保微电网直流母线电压平稳、保障电网安全稳定运行，成为本领域需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种含V2G充电桩的微电网协同控制方法、系统及电子设备，将基于广义耗散Hamilton系统的非线性控制方法应用于含电动汽车V2G充电桩的直流微电网电压平稳控制，能够改善直流母线电压抗扰性能，该控制方法形式简单、响应快速、稳定性好，易于解决工程实际问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

根据本发明的第一方面，提供一种含V2G充电桩的微电网协同控制方法，所述控制方法基于预设的控制系统实现，包括以下步骤：获取状态变量和控制变量；将所述状态变量和所述控制变量输入预设的非线性控制器，得到控制调节量；基于所述控制调节量，获取交流电网AC/DC双向变换器、光伏DC/DC升压变换器和电动汽车V2G充电桩双向变换器的开关量，实现电动汽车V2G充电桩与新能源协同控制；其中，所述控制调节量包括交流电网AC/DC双向变换器电压的d、q轴分量，所述非线性控制器根据基于电动汽车V2G充电桩的直流微电网广义耗散汉密尔顿方程与状态变量期望轨迹方程获取，所述状态变量期望轨迹方程用于动态调节所述非线性控制器的注入阻尼参数、增益参数和积分参数。

作为优选的技术方案，所述非线性控制器的获取过程具体包括：构建基于电动汽车V2G充电桩的直流微电网状态空间方程；定义状态变量，并根据所述状态变量获取基于电动汽车V2G充电桩的直流微电网全局能量函数；定义控制变量，并根据所述状态空间方程与所述全局能量函数，获取基于电动汽车V2G充电桩的直流微电网广义耗散汉密尔顿方程；定义直流微电网能量期望平衡点，并根据所述全局能量函数与所述期望平衡点，获取基于电动汽车V2G充电桩的直流微电网期望的全局能量函数；定义状态变量期望轨迹跟踪误差，并根据所述直流微电网广义耗散汉密尔顿方程与所述期望的全局能量函数，获取状态变量期望轨迹方程；根据所述直流微电网广义耗散汉密尔顿方程与所述状态变量期望轨迹方程，得到非线性控制器。

作为优选的技术方案，所述直流微电网状态空间方程为：

式中，i _d、i _q分别为交流电网AC/DC双向变换器电流的d、q轴分量，分别为交流电网AC/DC双向变换器交流侧电阻和电感，ω为电网角频率，为直流微电网母线电压，分别为交流电网AC/DC双向变换器开关量的d、q分量，v _d、v _q分别为交流电网AC/DC双向变换器电压的d、q轴分量，、分别为光伏系统输出电压和电流，L _pv为光伏DC/DC升压变换器电感，为光伏DC/DC升压变换器开关量，m _ev为电动汽车V2G充电桩双向变换器开关量，I _ev为电动汽车V2G充电桩双向变换器车侧电流，C为电动汽车V2G充电桩双向变换器的直流侧电容，C _ac为交流电网AC/DC双向变换器的直流侧电容，C _pv为光伏DC/DC升压变换器直流侧电容，L、R分别为电动汽车V2G充电桩双向变换器的电感和电阻，T为电动汽车V2G充电桩双向变换器开关周期，n为电动汽车V2G充电桩双向变换器变压比，为微分符号。

作为优选的技术方案，所述状态变量被定义为：

式中，中括号右上角的T表示转置；

所述的直流微电网全局能量函数为：

式中，i _d、i _q分别为交流电网AC/DC双向变换器电流的d、q轴分量，L _ac为交流电网AC/DC双向变换器交流侧电感，L _pv为光伏DC/DC升压变换器电感，I _pv为光伏系统输出电流，C为电动汽车V2G充电桩双向变换器的直流侧电容，V _dc为直流微电网母线电压，L为电动汽车V2G充电桩双向变换器的电感，I _ev为电动汽车V2G充电桩双向变换器车侧电流。

作为优选的技术方案，所述控制变量被定义为：

式中，v _d、v _q分别为交流电网AC/DC双向变换器电压的d、q轴分量，V _pv为光伏系统输出电压；

所述直流微电网广义耗散汉密尔顿方程为：

式中，为x导数，为偏微分符号，J(x)为系统能量平衡互联矩阵，R(x)为系统内部结构矩阵，g(x)为内外部交互结构矩阵。

作为优选的技术方案，所述直流微电网能量期望平衡点被定义为：

式中，x为状态变量，上标*表示对应的期望平衡点；

所述期望的全局能量函数为：

其中：

式中，H(x)为全局能量函数，H _a(x)为通过能量函数塑型注入系统的能量。

作为优选的技术方案，所述状态变量期望轨迹跟踪误差被定义为：

所述状态变量期望轨迹方程为：

其中：

式中，为x导数，J _d(x)为控制系统期望的能量平衡互联矩阵，J _a(x)为注入的耗散矩阵，R _d(x)为控制系统期望的系统内部结构矩阵，R _a(x)为注入的阻尼矩阵，J(x)为系统能量平衡互联矩阵，R(x)为系统内部结构矩阵，g(x)为内外部交互结构矩阵。

作为优选的技术方案，所述非线性控制器表示为：

其中：

，

式中，k _p、k _i分别为非线性控制器的增益参数和积分参数，w为控制变量的积分变量。

根据本发明的第二方面，提供一种含V2G充电桩的微电网协同控制系统，所述系统用于实现所述的控制方法，至少包括传感器、非线性控制器和脉宽调制器，所述传感器用于获取状态变量和控制变量，所述非线性控制器用于接收所述状态变量和所述控制变量，得到控制调节量，并基于所述控制调节量，经所述脉宽调制器获取交流电网AC/DC双向变换器、光伏DC/DC升压变换器和电动汽车V2G充电桩双向变换器的开关量，实现电动汽车V2G充电桩与新能源协同控制；其中，所述控制调节量包括交流电网AC/DC双向变换器电压的d、q轴分量，所述非线性控制器根据基于电动汽车V2G充电桩的直流微电网广义耗散汉密尔顿方程与状态变量期望轨迹方程获取，所述状态变量期望轨迹方程用于动态调节所述非线性控制器的注入阻尼参数、增益参数和积分参数。

根据本发明的第三方面，提供一种电子设备，其上存储有程序，所述程序被执行时实现所述的方法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的非线性控制器根据基于电动汽车V2G充电桩的直流微电网广义耗散汉密尔顿方程与状态变量期望轨迹方程获取，无需对交流电网AC/DC双向变换器、光伏DC/DC升压变换器和电动汽车V2G充电桩双向变换器在稳定工作点附近做局部线性化近似，其中的广义耗散汉密尔顿方程针对直流微电网非线性特性设计，能够准确表征系统能量平衡互联特征，不仅为非线性控制器简化设计提供条件，还可确保闭环控制系统全局渐近稳定；

2、本发明提供的非线性控制器形式简单、响应快速，能维持强耦合、非线性特性显著的基于电动汽车V2G充电桩的微电网直流母线电压平稳，实现电动汽车V2G充电桩与新能源协同运行，改善直流母线电压抗扰性能；

3、本发明根据状态变量期望轨迹跟踪动态响应特性，调节非线性控制器注入阻尼参数、增益参数和积分参数的选取，能够避免在外部发生不确定性扰动情形下，增益调度控制方法调度参数精确求取难度和算力需求大幅增加的不足。

附图说明

图1为本发明提供方法的流程示意图；

图2为本发明实施例1中基于电动汽车V2G充电桩的直流微电网结构示意图，其中：i _a、i _b、i _c分别为交流电网AC/DC双向变换器交流侧a相、b相、c相电流，经Park变换可得i _d、i _q，v _a、v _b、v _c分别为交流电网AC/DC双向变换器交流侧a相、b相、c相电压，经Park变换可得v _d、v _q；

图3为采用本发明实施例1中非线性控制方法的光伏系统输出有功功率突降情形下直流微电网动态响应波形，其中：图3的（a）部分直流母线电压波形，图3的（b）部分为电动汽车V2G充电桩双向变换器车侧电流波形，图3的（c）部分为电动汽车V2G充电桩双向变换器开关量波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本发明提供的含V2G充电桩的微电网协同控制方法属于非线性控制方法，该方法从能量角度出发，设计全局稳定控制器，使控制系统存在外部干扰情形下，依然稳定运行在期望工作点，实现期望轨迹的零静差跟踪，具有较好的直流母线电压扰动抑制能力，对于维持微电网稳定运行具有重要实际意义。

本实施例提供一种含V2G充电桩的微电网协同控制方法控制系统。其中的控制系统包括传感器、非线性控制器和脉宽调制器，基于该控制系统，如图1所示，前述方法的实现过程具体包括：传感器实时检测状态变量和控制变量，非线性控制器输入检测到的状态变量和控制变量，并输出控制调节量，并基于控制调节量，经脉宽调制器获取交流电网AC/DC双向变换器、光伏DC/DC升压变换器和电动汽车V2G充电桩双向变换器的开关量，实现电动汽车V2G充电桩与新能源协同控制。

前述的非线性控制器根据基于电动汽车V2G充电桩的直流微电网广义耗散汉密尔顿方程（也即直流微电网广义耗散Hamilton方程）与状态变量期望轨迹方程获取，其中的状态变量期望轨迹方程用于动态调节非线性控制器的注入阻尼参数、增益参数和积分参数。示例性地，无源性控制器的获取包括两部分：

第一部分，在dq坐标系下，建立基于电动汽车V2G充电桩的直流微电网广义耗散Hamilton方程；

第二部分，从基于能量函数塑型，设计非线性控制器，实现电动汽车V2G充电桩与新能源协同控制，使得状态变量在期望工作点取得稳定，直流微电网母线电压平稳。

两部分的具体实现过程如下：

在dq坐标系下，构建基于电动汽车V2G充电桩的直流微电网状态空间方程。具体地，状态空间方程为：

(1)

定义状态变量，并根据状态变量获取基于电动汽车V2G充电桩的直流微电网全局能量函数。具体地，状态变量被定义为：

(2)

式中，中括号右上角的T表示转置；

基于此，基于电动汽车V2G充电桩的直流微电网全局能量函数H(x)为：

(3)

定义控制变量，并根据状态空间方程与全局能量函数，获取基于电动汽车V2G充电桩的直流微电网广义耗散Hamilton方程。具体地，控制变量被定义为：

(4)

基于此，并根据式(1)和式(3)，建立基于电动汽车V2G充电桩的直流微电网广义耗散Hamilton方程为：

(5)

其中：

(6)

(7)

(8)

式中，为x导数；为偏微分符号；J(x)为系统能量平衡互联矩阵，满足；R(x)为系统内部结构矩阵；g(x)为内外部交互结构矩阵。

定义直流微电网能量期望平衡点，并根据全局能量函数与期望平衡点，获取基于电动汽车V2G充电桩的直流微电网期望的全局能量函数。

具体地，定义dq坐标系下基于电动汽车V2G充电桩的直流微电网能量期望平衡点，即状态变量期望轨迹为：

(9)

式中，x为状态变量，上标*表示对应的期望平衡点；

根据式(3)、(9)，构建于电动汽车V2G充电桩的直流微电网期望的全局能量函数为：

(10)

其中：

(11)

式中，H _a(x)为通过能量函数塑型注入系统的能量。

定义状态变量期望轨迹跟踪误差，并根据直流微电网广义耗散Hamilton方程与期望的全局能量函数，获取状态变量期望轨迹方程。具体地，状态变量期望轨迹跟踪误差被定义为：

(12)

为了实现直流微电网母线电压平稳控制，达成状态变量期望轨迹渐近跟踪目标，即，则根据式(5)、(10) 可得状态变量期望轨迹方程：

(13)

其中：

(14)

(15)

(16)

(17)

式中，J _d(x)为控制系统期望的能量平衡互联矩阵，J _a(x)为注入的耗散矩阵，R _d(x)为控制系统期望的系统内部结构矩阵，R _a(x)为注入的阻尼矩阵，R ₁ 、R ₂ 、R ₃ 、R ₄ 、R ₅为非线性控制器注入阻尼参数。调节R _a(x)可控制状态变量期望轨迹的跟踪速度。

根据直流微电网广义耗散Hamilton方程与状态变量期望轨迹方程，得到非线性控制器。具体地，根据式(5)、(13)，可得非线性控制器为：

(18)

其中：

，(19)

采用所设计的非线性控制器，可使得状态变量在期望工作点取得稳定，通过电动汽车V2G充电桩与新能源协同控制，维持直流微电网母线电压平稳。

为了验证所设计的含V2G充电桩的微电网协同控制方法的动态性能，设置仿真条件：在t=7200s时光伏系统输出有功功率突降，分析直流母线电压和电动汽车V2G充电桩双向变换器车侧电流动态响应情况。图2为本实施例中基于电动汽车V2G充电桩的直流微电网结构示意图，图中的R _ev、C _ev、V _ev分别为电动汽车输出侧电阻、电容和输出电压；图3为采用本实施例中非线性控制方法的光伏系统输出有功功率突降情形下直流微电网动态响应波形。

从图3分析可知，当光伏系统发生有功功率突降，采用本实施例所设计的含V2G充电桩的微电网协同控制方法，微电网直流母线电压经短暂调整，快速恢复至母线电压期望值400V；电动汽车V2G充电桩双向变换器车侧电流响应快速，无超调，开关量控制准确，通过调节电动汽车V2G充电桩输出电流，使状态变量快速稳定在期望工作点，实现状态变量期望轨迹的零静差跟踪，有效抑制外部不确定性扰动对微电网直流母线电压造成的不利影响，维持系统平稳运行，闭环控制系统实现全局渐进稳定。仿真结果表明所设计的含V2G充电桩的微电网协同控制方法具有形式简单、响应快速、稳定性好的特点。

实施例2

本实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器，以及存储于存储器中的程序，该处理器执行程序时实现实施例1中提供的方法。示例性地，处理器包括中央处理单元（CPU），其可以根据存储在只读存储器（ROM）中的计算机程序指令或者从存储单元加载到随机访问存储器（RAM）中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在RAM中，还可以存储设备操作所需的各种程序和数据。CPU、ROM以及RAM通过总线彼此相连。输入/输出（I/O）接口也连接至总线。设备中的多个部件连接至I/O接口，包括：输入单元，例如键盘、鼠标等；输出单元，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元，例如磁盘、光盘等；以及通信单元，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元允许设备通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。处理单元执行上文所描述的各个方法和处理，例如前述实施例1中方法的一个或多个步骤。例如，在一些实施例中，实施例1中方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM和/或通信单元而被载入和/或安装到设备上。当计算机程序加载到RAM并由CPU执行时，可以执行上文描述的实施例1中方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，CPU可以通过其他任何适当的方式（例如，借助于固件）而被配置为执行实施例1中方法的一个或多个步骤。以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：现场可编程门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）、专用标准产品（ASSP）、片上系统（SOC）、复杂可编程逻辑设备（CPLD）等等。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种含V2G充电桩的微电网协同控制方法，其特征在于，所述控制方法基于预设的控制系统实现，包括以下步骤：

获取状态变量和控制变量；

将所述状态变量和所述控制变量输入预设的非线性控制器，得到控制调节量；

基于所述控制调节量，获取交流电网AC/DC双向变换器、光伏DC/DC升压变换器和电动汽车V2G充电桩双向变换器的开关量，实现电动汽车V2G充电桩与新能源协同控制；

其中，所述控制调节量包括交流电网AC/DC双向变换器电压的d、q轴分量，所述非线性控制器根据基于电动汽车V2G充电桩的直流微电网广义耗散汉密尔顿方程与状态变量期望轨迹方程获取，所述状态变量期望轨迹方程用于动态调节所述非线性控制器的注入阻尼参数、增益参数和积分参数；

所述非线性控制器的获取过程具体包括：

构建基于电动汽车V2G充电桩的直流微电网状态空间方程；

定义状态变量，并根据所述状态变量获取基于电动汽车V2G充电桩的直流微电网全局能量函数；

定义控制变量，并根据所述状态空间方程与所述全局能量函数，获取基于电动汽车V2G充电桩的直流微电网广义耗散汉密尔顿方程；

定义直流微电网能量期望平衡点，并根据所述全局能量函数与所述期望平衡点，获取基于电动汽车V2G充电桩的直流微电网期望的全局能量函数；

定义状态变量期望轨迹跟踪误差，并根据所述直流微电网广义耗散汉密尔顿方程与所述期望的全局能量函数，获取状态变量期望轨迹方程；

根据所述直流微电网广义耗散汉密尔顿方程与所述状态变量期望轨迹方程，得到非线性控制器。

2.根据权利要求1所述的含V2G充电桩的微电网协同控制方法，其特征在于，所述直流微电网状态空间方程为：

3.根据权利要求1所述的含V2G充电桩的微电网协同控制方法，其特征在于，所述状态变量被定义为：

式中，中括号右上角的T表示转置；

所述的直流微电网全局能量函数为：

4.根据权利要求3所述的含V2G充电桩的微电网协同控制方法，其特征在于，所述控制变量被定义为：

所述直流微电网广义耗散汉密尔顿方程为：

5.根据权利要求4所述的含V2G充电桩的微电网协同控制方法，其特征在于，所述直流微电网能量期望平衡点被定义为：

式中，x为状态变量，上标*表示对应的期望平衡点；

所述期望的全局能量函数为：

其中：

6.根据权利要求5所述的含V2G充电桩的微电网协同控制方法，其特征在于，所述状态变量期望轨迹跟踪误差被定义为：

所述状态变量期望轨迹方程为：

其中：

7.根据权利要求6所述的含V2G充电桩的微电网协同控制方法，其特征在于，所述非线性控制器表示为：

其中：

，

8.一种含V2G充电桩的微电网协同控制系统，其特征在于，所述系统用于实现如权利要求1-7任一项所述的控制方法，至少包括传感器、非线性控制器和脉宽调制器，所述传感器用于获取状态变量和控制变量，所述非线性控制器用于接收所述状态变量和所述控制变量，得到控制调节量，并基于所述控制调节量，经所述脉宽调制器获取交流电网AC/DC双向变换器、光伏DC/DC升压变换器和电动汽车V2G充电桩双向变换器的开关量，实现电动汽车V2G充电桩与新能源协同控制；

其中，所述控制调节量包括交流电网AC/DC双向变换器电压的d、q轴分量，所述非线性控制器根据基于电动汽车V2G充电桩的直流微电网广义耗散汉密尔顿方程与状态变量期望轨迹方程获取，所述状态变量期望轨迹方程用于动态调节所述非线性控制器的注入阻尼参数、增益参数和积分参数。

9.一种电子设备，其上存储有程序，其特征在于，所述程序被执行时实现如权利要求1-7中任一所述的方法。