一种采用惯性控制的电动汽车充电站换流器控制方法

专利名称：一种采用惯性控制的电动汽车充电站换流器控制方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202310233123.9

专利申请（专利权）人：国网上海市电力公司
权利人地址：上海市浦东新区源深路1122号

专利发明（设计）人：段若晨,宗明,邓孟华,钱军,顾皓亮,陆超

专利摘要：本发明公开了一种采用惯性控制的电动汽车充电站换流器控制方法，包括如下步骤：S1，建立充电功率约束；S2，在换流器控制算法中加入虚拟惯量；S3，在换流器控制算法中加入有功‑直流电压下垂环节，构成调压控制器；在换流器控制算法中加入有功‑频率下垂控制环节，构成调频控制器；S4，换流器连接交直流电网，形成交直流混连系统，得到换流器的P‑ω‑Udc虚拟同步电机控制模型式。本发明的采用惯性控制的电动汽车充电站换流器控制方法既保证电动汽车的充电功率，同时提高电动汽车充电站对配电网的支撑。

主权利要求：
1.一种采用惯性控制的电动汽车充电站换流器控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，建立充电功率约束；
S2，在换流器控制算法中加入虚拟惯量；
S3，在换流器控制算法中加入有功‑直流电压下垂环节，构成调压控制器；在换流器控制算法中加入有功‑频率下垂控制环节，构成调频控制器；
S4，换流器连接交直流电网，形成交直流混连系统，得到换流器的P‑ω‑Udc虚拟同步电机控制模型式，S1具体方法为：
充电站内的第i台电动汽车的荷电状态为SOCec，i，它们的目标充电完成时间为Tec，i，因此当前已接入的电动汽车平均充电功率为假定未来t时段内需要提供惯性功率，每辆电动汽车可提供的惯性功率为Pi，dis，则充电站换流器可提供最大调节功率由下式表达其中Pi，max是第i台电动汽车对应充电桩的最大充电功率；
S2的具体方法为：
同步发电机转子运动为式(1)：
式中：ω0为同步机角频率，Tm和Te分别为同步电机的机械转矩和电磁转矩，单位N·m；J2
为电机的转动惯量，单位kg·m；Dp为摩擦系数，单位N·m·s/rad；
根据式1模拟转子运动特性，得到换流器的有功频率方程式(2)式中：H为虚拟惯量系数，与转动惯量J相对应，Pin，Pout分别为换流器的输入和输出功率，ω为同步机角频率，ωg为公共母线角频率；
S3中，调压控制器具体为：
Pin‑min(Pref，Pcurr)＝k1(ωref‑ωg)(3)式中：Pref为换流器设定参考功率，k1为调频下垂系数；
调频控制器具体为：
Pin‑min(Pref，Pcurr)＝k2(Udc‑Udcref)(4)式中：Udc为直流电压实际值，Udcref为直流电压参考值，S4中，换流器的P‑ω‑Udc虚拟同步电机控制模型式为提出自适应惯量系数H以自适应不同工况，如下式式中：ka为灵敏因子，H0为工频时的虚拟惯量系数，Hh为频率偏移无穷大时对应的虚拟惯量系数；
为使换流器可实用不同运行工况，提出自适应灵敏因子算法，如下式： 说明书 : 一种采用惯性控制的电动汽车充电站换流器控制方法技术领域[0001] 本发明涉及一种用于电动汽车车联网与电网优化领域的采用惯性控制的电动汽车充电站换流器控制方法。背景技术[0002] 近年来，电动汽车充电站V2G技术凭借功率连续可控、控制方式灵活的特点被广泛应用到主动配电网中。作为一种全控型电力电子装置，V2G型电动汽车充电站可以替代配电网中部分传统联络开关，对所连馈线的有功和无功功率准确、快速、灵活控制，实现优化主动配电网线损的功能。然而目前换流器还存在调节能力有限、精度不足、响应速度慢以及无法实现全局优化等问题，难以在满足电动汽车充电功率的同时，智能、高效地与配电网互动。此外，电动汽车作为一种灵活性资源，并未像其他储能系统一样被用于向配电网提供额外的惯性支撑。发明内容[0003] 本发明的目的是为了克服现有技术的不足，针对现有充电站换流器控制能力弱、无惯性支撑能力的问题，提供一种采用惯性控制的电动汽车充电站换流器控制方法，既保证电动汽车的充电功率，同时提高电动汽车充电站对配电网的支撑。[0004] 实现上述目的的一种技术方案是：一种采用惯性控制的电动汽车充电站换流器控制方法，包括如下步骤：[0005] S1，建立充电功率约束；[0006] S2，在换流器控制算法中加入虚拟惯量；[0007] S3，在换流器控制算法中加入有功‑直流电压下垂环节，构成调压控制器；在换流器控制算法中加入有功‑频率下垂控制环节，构成调频控制器；[0008] S4，换流器连接交直流电网，形成交直流混连系统，得到换流器的P‑ω‑Udc虚拟同步电机控制模型式。[0009] 进一步的，S1具体方法为：[0010] 充电站内的第i台电动汽车的荷电状态为SOCec,i，它们的目标充电完成时间为Tec,i，因此当前已接入的电动汽车平均充电功率为[0011][0012] 假定未来t时段内需要提供惯性功率，每辆电动汽车可提供的惯性功率为Pi,dis，则充电站换流器可提供最大调节功率由下式表达[0013][0014] 其中Pi,max是第i台电动汽车对应充电桩的最大充电功率。[0015] 进一步的，S2的具体方法为：[0016] 同步发电机转子运动为式1：[0017][0018] 式中：ω0为同步机角频率，Tm和Tc分别为同步电机的机械转矩和电磁转矩，单位2N·m；J为电机的转动惯量，单位kg·m；Dp为摩擦系数，单位N·m·s/rad；[0019] 根据式1模拟转子运动特性，得到换流器的有功频率方程式(2)[0020][0021] 式中：H为虚拟惯量系数，与转动惯量J相对应，Pin,Pout分别为换流器的输入和输出功率，ω为同步机角频率，ωg为公共母线角频率。[0022] 进一步的，调压控制器具体为：[0023] Pin‑min(Pref,Pcurr)＝k1(ωref‑ωg)(3)[0024] 式中：Pref为换流器设定参考功率，k1为调频下垂系数；[0025] 调频控制器具体为：[0026] Pin‑min(Pref,Pcurr)＝k2(Udc‑Udcref)(4)[0027] 式中：Udc为直流电压实际值，Udcref为直流电压参考值。[0028] 进一步的，S4中，换流器的P‑ω‑Udc虚拟同步电机控制模型式为[0029][0030] 进一步的，提出自适应惯量系数H以自适应不同工况，如下式[0031][0032] 式中：ka为灵敏因子，H0为工频时的虚拟惯量系数，Hh为频率偏移无穷大时对应的虚拟惯量系数；[0033] 为使换流器可实用不同运行工况，提出自适应灵敏因子算法，如下式：[0034][0035] 本发明具有如下优点：[0036] 1.提出了高惯性的换流器控制策略，提高了在配电网负荷突变时充电站对就近负荷的快速响应能力。[0037] 2.充分考虑了电动汽车充电功率需求，保证了在响应外部频率、电压变化时不影响电动汽车的充电；[0038] 3.加入的惯性控制在稳态时不影响换流器的双向调节能力，对现有换流器的能力无影响。附图说明[0039] 图1为本发明的采用惯性控制的电动汽车充电站换流器控制方法的原理示意图。具体实施方式[0040] 为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例进行详细地说明：[0041] 请参阅图1。本发明的一种采用惯性控制的电动汽车充电站换流器控制方法，包括如下步骤：[0042] S1，建立充电功率约束。[0043] 充电站内的第i台电动汽车的荷电状态为SOCec,i，它们的目标充电完成时间为Tec,i，因此当前已接入的电动汽车平均充电功率为[0044][0045] 假定未来t时段内需要提供惯性功率，每辆电动汽车可提供的惯性功率为Pi,dis，则充电站换流器可提供最大调节功率由下式表达[0046][0047] 其中Pi,max是第i台电动汽车对应充电桩的最大充电功率。[0048] S2，在换流器控制算法中加入虚拟惯量。虚拟同步电机控制是将虚拟惯量引入换流器的控制算法中，其核心思想是仿照同步发电机，使换流器具有一定惯性，其频率在较短时间内不会发生突变。[0049] 同步发电机转子运动为式1：[0050][0051] 式中：ω0为同步机角频率，Tm和Tc分别为同步电机的机械转矩和电磁转矩，单位2N·m；J为电机的转动惯量，单位kg·m；Dp为摩擦系数(阻尼系数)，单位N·m·s/rad。[0052] 根据式1模拟转子运动特性，得到换流器的有功频率方程式(2)[0053][0054] 式中：H为虚拟惯量系数，与转动惯量J相对应，Pin,Pout分别为换流器的输入和输出功率，ω为同步机角频率，ωg为公共母线角频率。[0055] S3，在换流器控制算法中加入有功‑直流电压下垂环节，构成调压控制器；在换流器控制算法中加入有功‑频率下垂控制环节，构成调频控制器。[0056] 当换流器工作在逆变状态，并且交流公共母线连接强电网时，频率ωg被钳位，由大电网频率决定，换流器无需调频，然而若交流公共母线连接弱电网，比如水电、微网等时，换流器仍需具备一定调频能力，当功率母线角频率变化时，能提供一定的频率支撑，增强交流系统稳定性，因此附加有功‑频率下垂控制环节，构成调频控制器，即式(3)：[0057] Pin‑min(Pref,Pcurr)＝k1(ωref‑ωg)(3)[0058] 式中：Pref为换流器设定参考功率，k1为调频下垂系数。[0059] 当换流器工作在整流状态时，若直流公共母线连接强电源时，直流电压Udc被钳位，由强电源决定，换流器无需调压，然而若直流公共母线连接弱电源时，比如光伏、储能等，换流器仍需一定的调压能力，当直流母线电压变化时，能提供一定的电压支撑，防止直流电压变化越限，增强直流系统稳定性，因此附加有功‑直流电压下垂环节，构成调压控制器，即式(4)：[0060] Pin‑min(Pref,Pcurr)＝k2(Udc‑Udcref)(4)[0061] 式中：Udc为直流电压实际值，Udcref为直流电压参考值。[0062] S4，换流器连接交直流电网，形成交直流混连系统，结合式(2)、式(3)、和式(4)得到换流器的P‑ω‑Udc虚拟同步电机控制模型式，即式(5)：[0063][0064] 所提控制方法的影响因素有三者，ωg、Udc、Pref，在实际运行工况中，前两者可能由于异常或者故障引起或大扰动和小扰动：[0065] (1)对于ωg来说，交流侧故障(大扰动)和交流负荷投切(小扰动)均会导致ωg发生变化；[0066] (2)对于Udc来说，直流侧故障(大扰动)和直流负荷投切(小扰动)均会导致Udc发生变化；[0067] (3)对于Pref来说，可人为设定，一般由上级配电系统指令给定，可根据当前电网实际运行情况实时调整。[0068] 所提控制方法中的惯量系数H对控制起到关键效果，然而在不同场景下，应对以上三者变化导致的波动时，H的大小对换流器控制效果不同，一方面，当换流器受到交流频率突变时，H的增加可以使频率偏移减小，频率波动更加平滑，另一方面，当换流器的自身功率和直流电压发生变化时，减小虚拟惯量系数可以降低换流器有功功率和直流电压偏移。因此，提出自适应惯量系数H以自适应不同工况。[0069][0070] 式中：ka为灵敏因子，H0为工频时的虚拟惯量系数，Hh为频率偏移无穷大时对应的虚拟惯量系数；[0071] 为使换流器可实用不同运行工况，提出自适应灵敏因子算法，如下式：[0072][0073] 结合式(6)、式(7)可得，当输出频率变化时，ka系数取值较大，若输出频率变化较大，则H取值相应较大，从而有利于减小频率超调量；当输出频率变化较小时，H取值相应较大，从而有利于减小频率偏移，减小波动；当直流电压和功率参考值变化时，ka系数取值较小，H取值相应较小，从而有利于加快响应速度，减小控制有功功率和直流电压偏移。[0074] 结合式(5)、式(6)、式(7)即为所提P‑ω‑Udc自适应虚拟同步电机控制方法。其由逆变模式和整流模式两种工作模式。[0075] (1)逆变模式[0076] 以换流器出口流向交流电网功率为正方向，当换流器输出功率为正时，换流器工作在逆变模式，向交流电网输送有功功率，向直流电网提供功率。采用所提控制方法，换流器可动态响应交流侧变化，交流侧发生负荷波动时，采用所提方法，可有效减小频率偏移；当交流侧发生故障时，采用所提方法，可实现交流侧孤岛负荷支撑。[0077] (2)整流模式[0078] 以换流器出口流向交流电网功率为正方向，当换流器输出功率为负时，换流器工作在整流模式，向交流电网吸收有功功率，向直流电网提供功率。采用所提控制方法，换流器可动态响应直流侧变化，直流侧发生负荷波动时，采用所提方法，可有效减小电压偏移；当直流侧发生故障时，采用所提方法，可实现直流侧负荷支撑。[0079] 本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

专利地区：上海

专利申请日期：2023-03-09

专利公开日期：2024-09-03

专利公告号：CN116191514B