【技术实现步骤摘要】
基于负荷虚拟同步机技术的电动汽车充电装备及控制方法
本专利技术涉及电气工程领域，具体涉及一种基于负荷虚拟同步机技术的电动汽车充电装备及控制方法。
技术介绍
现有的电力系统中存在下列三方面缺陷：第一、据估计新一代电力系统在未来将有90％的电力需要经过电力电子变换后使用，而越来越高比例的电力电子装备接入电力系统，导致电力变换接口装置多样化、负荷强非线性的趋势更加明显，同时造成了系统惯量的缺失，使大电网的安全稳定面临巨大挑战；第二、随着可再生能源分布式发电技术的不断发展，大量可再生能源接入到电力系统中，可再生能源分布式发电与传统火力发电相比，其出力受光照强度、风力强弱等自然因素影响，具有很强的不确定性、不可控性、随机波动性和不连续性。由于可再生能源电力系统存在电压稳定问题、弃风弃光问题、转动惯量减低问题、接入弱电网震荡等问题，所以迫切需要通过其他能量贮存系统补偿可再生能源具有的自然可变性，促进电网更好的接纳波动性可再生能源；第三、目前电力系统的功率平衡是由大型同步发电机以同一频率旋转来维持的，随着以风力发电、电动汽车为代表的新能源技术在电网中渗透率的提高，传统火力发电机装机比例逐渐降低，意味着电力系统中旋转同步机制逐渐削弱，危及电力系统的稳定。仅靠“源”侧调峰机组无法满足电网稳定的要求，迫切需要“荷”的配合和参与并建立“源-网-荷”高效友好互动机制。常规控制只关注控制环内特性调整，无法实现外特性的调整传统负荷侧不具备调整机制，随着多样性负荷的引入，使负荷的互动性、可控性、灵活性逐渐增强。电动汽车负荷属于典型的主动负荷，其充...
【技术保护点】
1.一种基于负荷虚拟同步机技术的电动汽车充电装备，其特征在于，包括：所述电动汽车充电装备的充电电路采用两极变换器电路；所述两极变换器电路包括有源数字化维也纳整流器和数字化全桥LLC谐振变换器。/n
【技术特征摘要】
1.一种基于负荷虚拟同步机技术的电动汽车充电装备，其特征在于，包括：所述电动汽车充电装备的充电电路采用两极变换器电路；所述两极变换器电路包括有源数字化维也纳整流器和数字化全桥LLC谐振变换器。
2.如权利要求1所述的电动汽车充电装备，其特征在于，所述有源数字化维也纳整流器为三电平电压源型整流器，采用负荷虚拟同步机技术结合变流器自治控制，用于将电网电压整流为400VDC～800VDC的直流电压。
3.如权利要求1所述的电动汽车充电装备，其特征在于，所述数字化全桥LLC谐振变换器为三电平的DC/DC直流电压变换电路，所述三电平的DC/DC直流电压变换电路输出电压为200VDC～750VDC。
4.一种基于负荷虚拟同步机技术对电动汽车充电装备的控制方法，其特征在于，对电动汽车充电装备中的有源数字化维也纳整流器进行控制，包括：
基于直流侧电压和直流侧电压的参考值通过PI控制得到有功功率的给定值；
所述有功功率的给定值经过有功控制环路、无功控制环路和电压电流双闭环路的控制，得到电流内环的参考指令值；
电流内环的参考指令值与反馈的电感的电流值进行比较后经过比例环节生成电压调制波信号；
电压调制波信号经过调制生成PWM信号驱动开关管的通断，输出直流侧电压的参考值。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述有功功率的给定值，按下式计算：
Pm＝-Udc*(Udc*-Udc)(Kp+Ki/s)
其中，Pm为负荷虚拟同步机有功功率的给定值；Udc*为负荷虚拟同步机直流侧电压的参考值；Udc为负荷虚拟同步机直流侧电压；Kp为负荷虚拟同步机直流侧电压环PI控制器的比例系数；Ki为负荷虚拟同步机直流侧电压环PI控制器的积分系数。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述有功功率的给定值经过有功控制环路、无功控制环路和电压电流双闭环路的控制，得到电流内环的参考指令值，包括：
基于所述有功功率的给定值在有功控制环路中引入转子运动方程，得到负荷虚拟同步机的功角；
基于获取的负荷虚拟同步机无功功率的实际值和实际电容电压有效值，得到无功控制环路的输出电压幅值；
基于无功控制环路输出电压幅值和负荷虚拟同步机的功角在电压电流双闭环路中构建电磁方程；
由所述电磁方程可得出电流内环的参考指令值。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于所述有功功率的给定值在有功控制环路中引入转子运动方程，得到负荷虚拟同步机的功角，包括：
在变流器的控制环节采用同步电机的机电暂态方程，并基于所述有功功率的给定值得到有功控制环路的控制算法；
在有功控制环路的控制算法中引入转子运动方程，得到负荷虚拟同步机的功角。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述有功控制环路的控制算法，如下式所示：
式中：ω为机械角速度，ωn为电网同步角速度，Tm为负荷虚拟同步机的机械转矩，Te为负荷虚拟同步机的电磁转矩，Td为负荷虚拟同步机的阻尼转矩，T0为额定转矩指令，ΔT为频率偏差反馈指令，Pe为有功功率实际值，Pm为负荷虚拟同步机机械功率参考值，θ为负荷虚拟同步机的功角；
其中，所述负荷虚拟同步机的功角θ，按下式计算：
θ＝(Pm-Pe+Dpωn)/s/(Js+Dp)
式中：θ为负荷虚拟同步机的功角，J为负荷虚拟同步机的转动惯量，Dp为负荷虚拟同步机的阻尼系数。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于获取的负荷虚拟同步机无功功率的实际值和实际电容电压有效值，得到无功控制环路的输出电压幅值，包括：
基于整流器电容参考电压有效值和实际电容电压有效值，模拟同步电机励磁电流控制方法得到整流器桥臂中点电压的控制方程；
基于获取的负荷虚拟同步机无功功率的实际值、设定的无功功率给定值和输出电压的额定有效值构建同步发电机的一次调压方程；
联立所述控制方程和一次调压方程，得出无功控制环路的输出电压幅值。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于无功控制环路输出电压幅值和负荷虚拟同步机的功角在电压电流双闭环路中构建电磁方程，包括：
基于无功控制环路输出电压幅值和负荷虚拟同步机的功角构造三相调制波信号；
基于三相调制波信号和负荷虚拟同步机的机端电压构建电磁方程；
基于电磁方程得出通过调节负荷虚拟同步机的虚拟电势来调节机端电压和交流接口机端输出的瞬时无功功率。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述电磁方程，如下式所示：
iabc＝(eabc-uabc)/(Ls+R)
式中：eabc为负荷虚拟同步机电势，uabc为负荷虚拟同步机的机端电压，iabc为负荷虚拟同步机输出电流，L为负荷虚拟同步机定子电感R为负荷虚拟同步机的电阻。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述负荷虚拟同步机的虚拟电势，如下式所示：
Ep＝E0+ΔEQ+ΔEU
式中：Ep为负荷虚拟同步机的虚拟电势，E0为负荷虚拟同步机稳态时内电势有效值，ΔEQ为负荷虚拟同步机反应无功功率调节电势，ΔEU为负荷虚拟同步机反应机端电压调节电势；
其中，所述负荷虚拟同步机反应无功功率调节的电势ΔEQ，如下式所示：
ΔEQ＝Kq(Qref-Qe)
式中：Kq为负荷虚拟同步机无功调节系数，Qref为负荷虚拟同步机交流接口的无功指令，Qe为负荷虚拟同步机交流接口机端输出的瞬时无功功率；
所述负荷虚拟同步机交流接口机端输出的瞬时无功功率Qe，如下式所示：
式中：ua、ub和uc分别为负荷虚拟同步机的三相机端电压；
所述反应机端电压调节电势ΔEU，如下式所示：
ΔEU＝Dq(Uref-Un)
其中，Uref为负荷虚拟同步机的机端线电压有效值的指令值，Un为负荷虚拟同步机的机端线电压有效值的真实值，Dq为负荷虚拟同步机电压调节系数，即负荷虚拟同步机无功环的下垂系数。
13.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电压调制波信号经过调制生成PWM信号驱动开关管的通断，输出直流侧电压的参考值之后，还包括：
在电动汽车充电装备的直流工作点处增加小扰动，构建不考虑有功和无功耦合关系的有功功率内环的小信号模型；
对直流侧电压环、电压电流双闭环路中的电压外环和所述有功功率内环的小信号模型进行分析，基于直流侧电压环的稳定性确定负荷虚拟同步机的转动惯量的取值范围；
基于整流侧系统的参数特性在所述负荷虚拟同步机的转动惯量的取值范围进一步确定转动惯量的取值范围，以及阻尼系数的取值范围。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述有功功率内环的小信号模型，如下式所示：
式中：分别为对应直流工作点附近的小扰动量；Tm0为负荷虚拟同步机稳态工作时转矩；Te0为负荷虚拟同步机稳态工作时电磁转矩；ω0为负荷虚拟同步机稳态工作时输出电压的角频率；δ0为负荷虚拟同步机稳态工作时输出电压的功角；E0为负荷虚拟同步机稳态时内电势有效值；Pe0为负荷虚拟同步机稳态工作时输出的有功功率；Q0为负荷虚拟同步机稳态工作时输出的无功功率；为负荷虚拟同步机机械功率在稳态工作点附近的小扰动。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述对直流侧电压环、电压电流双闭...
【专利技术属性】
技术研发人员：周珊，吕志鹏，吴鸣，孙丽敬，宋振浩，刘国宇，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11
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