一种基于虚拟同步电动机的电动汽车快充控制方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于虚拟同步电动机的电动汽车快充控制方法及系统，基于同步电网输出的电压/电流计算整流器无功功率、电压幅值和角频率；基于充电模式的下垂关系确定动力电池的实际充电功率；根据求得的参数制定三相电流参考指令，以控制直流母线电压；基于直流母线电压和全桥谐振LLC变换器的谐振电流产生的脉冲信号控制电动汽车进行快充。该方案通过整流器实现虚拟同步电动机控制和恒流快充控制，具有较好的协调性。所涉及的系统前后两级电路控制目标不同，分工明确；满足了稳定直流母线电压的需求且实现了电动汽车的恒流快充；其包括与电动汽车非车载充电机系统连接的获取模块、确定模块、前级控制模块和后级控制模块。

A fast charging control method and system of electric vehicle based on virtual synchronous motor

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚拟同步电动机的电动汽车快充控制方法及系统
本专利技术属于电力电子应用
，具体涉及一种基于虚拟同步电动机的电动汽车快充控制方法及系统。
技术介绍
传统型燃油汽车呈几何级数的增长，导致全球能源危机和环境污染问题日益严重，大力发展电动汽车已成为应对气候变化、推动节能减排的一项重要举措。电动汽车数量的快速增长，使得这种新型电力有源负荷在配电网中的所占比重日益增大，其充电系统作为电动汽车重要组成部分之一，对其进行合理的控制对满足用户需求和电网的安全稳定运行都具有重要意义。电动汽车充电方式按充电功率的大小分为慢充和快充。慢充充电电流较小，充电时间一般在6小时以上，适用于小功率充电场合。快充的充电电流大，充电时间一般小于1小时，通常适用于大功率非车载充电机。电动汽车快充方式凭借充电速度快、节省时间、更易满足用户需求等优势受到广泛关注。然而，电动汽车对电力系统而言属于非线性负荷，而这类大功率充电负荷频繁投退会影响电网的电能质量。为提高电网电压、频率的稳定性，有学者提出将虚拟同步电动机(virtualsynchronousmotor,VSM)技术应用于电动汽车充电机，一方面，在暂态过程中，提供惯量和阻尼抑制电网电压和频率的快速变化，为系统的恢复提供支撑；另一方面，在稳态情况下，根据供需要求，自主参与电网的调压、调频，实现与电网的友好互动，提高其生存能力。因VSM技术可灵活解决电动汽车接入问题而被深入研究。SuulJA等学者研究适用于小功率单相充电机的VSM控制方法，但无法直接应用于三相充电机。刘其辉教授提出了适用于三相充电机的VSM方法，但该方法仅验证了虚拟同步机的惯量、阻尼和一次调节特性，尚未涉及电动汽车的充电方式。基于此，吕志鹏等学者提出了一种应用虚拟同步电机技术的电动汽车快充控制方案，该方法前级实现VSM功能和直流母线电压的稳定，后级实现恒压充电。但是该方案采用电阻模拟电动汽车的充电电池，通过双闭环控制实现恒压充电，充电模式不清晰，快充通常采用恒流或恒功率充电；其次，因采用理想电网，仿真结果无法证明VSM的一次调频特性。
技术实现思路
为了弥补上述缺陷，本专利技术提出一种基于虚拟同步电动机的电动汽车快充控制方法及系统，为适用于电动汽车快充的新型VSM控制领域提供了技术支撑，具有极大的研究价值和意义，解决了大功率充电负荷频繁投退引起的电网频率、电压质量问题。本专利技术是采用下述技术方案实现的：一种基于虚拟同步电动机的电动汽车快充控制方法，所述方法包括：基于同步电网输出的电压和电流，计算整流器无功功率、电压幅值和角频率；基于充电模式的下垂关系，确定动力电池的实际充电功率；根据所述整流器无功功率、电压幅值和角频率以及所述动力电池的实际充电功率，制定三相电流参考指令，以控制直流母线电压；基于所述直流母线电压和全桥谐振LLC变换器的谐振电流产生的脉冲信号，控制电动汽车进行快充。优选的，所述根据整流器无功功率、电压幅值和角频率以及所述动力电池的实际充电功率，制定三相电流参考指令，以控制直流母线电压包括：将所述整流器无功功率与无功功率参考值，以及整流器电压幅值与电压幅值参考值输入预先建立的励磁控制模型，输出励磁电动电势指令；将所述整流器角频率与角频率参考值，以及动力电池充电功率和充电功率设定值，输入转子运动方程，输出角度指令；将励磁电动势幅值指令和角度指令相叠加，生成三相励磁电动势指令；将三相励磁电动势指令输入定子电压方程，获得三相电流参考指令；根据所述三相电流参考指令产生的脉冲信号，控制直流母线电压。进一步地，所述根据三相电流参考指令产生的脉冲信号，控制直流母线电压包括：根据所述三相电流参考指令产生的6路脉冲信号导通三相电压型PWM整流器的开关管，使得直流母线电压稳定运行。优选的，所述基于直流母线电压和全桥谐振LLC变换器的谐振电流产生的脉冲信号，控制电动汽车进行快充包括：获取稳压运行的直流母线电压和全桥谐振LLC变换器的谐振电流；根据所述稳压运行的直流母线电压和全桥谐振LLC变换器的谐振电流产生的4路脉冲导通全桥谐振LLC变换器的开关管，使得虚拟同步电动机以恒流快充模式对动力电池充电。优选的，通过下式确定充电模式的下垂关系：式中，Pbat为动力电池的实际充电功率，Q为整流器的实际输入无功功率，ωg为整流器实际角频率，Qset、ωn、Un分别为整流器无功功率设定值、额定角频率和额定电压；Dp和Dq分别表示有功频率和无功电压下垂系数，Ubat为动力电池实际充电电压，Ibat-set为充电电流设定值。进一步地，通过下式确定所述充电电流设定值：Ibat-set＞|容量(Ah)|(2)进一步地，当实际充电电流小于充电电流设定值时，通过下式计算动力电池的实际充电功率：当实际充电电流等于充电电流设定值时，通过下式计算动力电池的实际充电功率：式中，η为随功率变化的效率系数η＝Pbat/P，P为整流器无功功率，Pbat为动力电池的实际充电功率，Pe和Pm分别为虚拟电磁功率和机械功率。一种基于虚拟同步电动机的电动汽车快充控制系统，所述系统包括与电动汽车非车载充电机系统连接的获取模块、确定模块、前级控制模块和后级控制模块；其中，获取模块，用于基于同步电网输出的电压和电流，计算整流器无功功率、电压幅值和角频率；确定模块，用于基于充电模式的下垂关系，确定动力电池的实际充电功率；前级控制模块，用于根据整流器无功功率、电压幅值和角频率以及所述动力电池的实际充电功率，制定三相电流参考指令，以控制直流母线电压；后级控制模块，用于基于直流母线电压和全桥谐振LLC变换器的谐振电流产生的脉冲信号，控制电动汽车进行快充。优选的，所述电动汽车非车载充电机系统包括：具备一次调压、调频功能的同步发电机构成的同步电网；所述同步电网经由LC滤波电路、三相电压型PWM整流器、全桥谐振LLC变换器与动力电池连接；所述同步电网的输出端与获取模块连接。优选的，所述获取模块包括：采集单元，用于采集同步电网输出的电压和电流；测量计算单元(1)，用于计算励磁控制单元(2)的整流器无功功率和电压幅值，以及下垂控制单元(3)的角频率；所述确定模块包括：下垂控制单元(3)，用于定义动力电池处于充电模式的下垂关系；所述前级控制模块包括：指令制定子模块，用于制定三相电流参考指令；前级控制子模块，用于根据三相电流参考指令产生的脉冲信号，控制直流母线电压；其中，所述指令制定子模块包括：励磁控制单元(2)，用于将所述整流器无功功率与无功功率参考值，以及整流器电压幅值与电压幅值参考值输入预先建立的励磁控制模型，输出励磁电动电势指令；转子运动方程单元(4)，用于将所述整流器角频率与角频率参考值，以及动力电池充电功率和充电功率设定值，输入转子运动方程，输出角度指令；电压合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于虚拟同步电动机的电动汽车快充控制方法，其特征在于，所述方法包括：/n基于同步电网输出的电压和电流，计算整流器无功功率、电压幅值和角频率；/n基于充电模式的下垂关系，确定动力电池的实际充电功率；/n根据所述整流器无功功率、电压幅值和角频率以及所述动力电池的实际充电功率，制定三相电流参考指令，以控制直流母线电压；/n基于所述直流母线电压和全桥谐振LLC变换器的谐振电流产生的脉冲信号，控制电动汽车进行快充。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟同步电动机的电动汽车快充控制方法，其特征在于，所述方法包括：
基于同步电网输出的电压和电流，计算整流器无功功率、电压幅值和角频率；
基于充电模式的下垂关系，确定动力电池的实际充电功率；
根据所述整流器无功功率、电压幅值和角频率以及所述动力电池的实际充电功率，制定三相电流参考指令，以控制直流母线电压；
基于所述直流母线电压和全桥谐振LLC变换器的谐振电流产生的脉冲信号，控制电动汽车进行快充。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据整流器无功功率、电压幅值和角频率以及所述动力电池的实际充电功率，制定三相电流参考指令，以控制直流母线电压包括：
将所述整流器无功功率与无功功率参考值，以及整流器电压幅值与电压幅值参考值输入预先建立的励磁控制模型，输出励磁电动电势指令；
将所述整流器角频率与角频率参考值，以及动力电池充电功率和充电功率设定值，输入转子运动方程，输出角度指令；
将励磁电动势幅值指令和角度指令相叠加，生成三相励磁电动势指令；
将三相励磁电动势指令输入定子电压方程，获得三相电流参考指令；
根据所述三相电流参考指令产生的脉冲信号，控制直流母线电压。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据三相电流参考指令产生的脉冲信号，控制直流母线电压包括：
根据所述三相电流参考指令产生的6路脉冲信号导通三相电压型PWM整流器的开关管，使得直流母线电压稳定运行。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于直流母线电压和全桥谐振LLC变换器的谐振电流产生的脉冲信号，控制电动汽车进行快充包括：
获取稳压运行的直流母线电压和全桥谐振LLC变换器的谐振电流；
根据所述稳压运行的直流母线电压和全桥谐振LLC变换器的谐振电流产生的4路脉冲导通全桥谐振LLC变换器的开关管，使得虚拟同步电动机以恒流快充模式对动力电池充电。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过下式确定充电模式的下垂关系：



式中，Pbat为动力电池的实际充电功率，Q为整流器的实际输入无功功率，ωg为整流器实际角频率，Qset、ωn、Un分别为整流器无功功率设定值、额定角频率和额定电压；Dp和Dq分别表示有功频率和无功电压下垂系数，Ubat为动力电池实际充电电压，Ibat-set为充电电流设定值。


6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过下式确定所述充电电流设定值：
Ibat-set＞|容量(Ah)|(2)。


7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当实际充电电流小于充电电流设定值时，通过下式计算动力电池的实际充电功率：



当实际充电电流等于充电电流设定值时，通过下式计算动力电池的实际充电功率：



式中，η为随功率变化的效率系数η＝Pbat/P，P为整流器无功功率，Pbat为动力电池的实际充电功率，Pe和Pm分别为虚拟电磁功率和机械功率。


8.一种基于虚拟同步电动机的电动汽车快充控制系统，其特征在于，所述系统包括与电动汽车非车载充电机系统连接的获取模块、确定模块、前级控制模块和后级控制模块；其中，
获取模块，用于基于同步电网输出的电压和电流，计算整流器无功功率、电压幅值和角频率；

【专利技术属性】
技术研发人员：吴鸣，吕志鹏，孙丽敬，宋振浩，赵婷，周珊，刘国宇，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院有限公司，国家电网有限公司，国网江苏省电力有限公司泰州供电分公司，
类型：发明
国别省市：北京;11