技术领域
[0001] 本
发明属于电动汽车技术领域，以及电
力系统稳定运行与控制，具体涉及一种考虑电网
频率运行
稳定性和电力
电子器件惯量缺失问题的基于V2G(Vehicle to Grid)技术的电动汽车参与电网调频控制方法。
背景技术
[0002] 全球性的
能源危机和环境污染推动了世界各国电动汽车行业的发展。电动汽车数量不断增长，为电力系统的建设和发展带来巨大挑战和机遇。一方面大量的电动汽车作为新的负荷接入电网集中充电，如果不加以管理和引导，会造成电网用电高峰增加，电网负荷过重，加大电网调峰难度，为电网规划和建设带来巨大压力。另一方面，当前电力系统大力发展新能源发电，其具有强烈的间歇性和随机性，发电量受自然环境影响较为严重。电动汽车作为移动储能设备可以作为系统备用容量，基于V2G技术实现与电网之间的
能量交互，可以为电网提供一定的辅助服务，促进新能源消纳并且增强系统频率稳定，实现车网融合(Grid Integrated Vehicle，GIV)。
[0003] 随着以
风电、光伏为主的
可再生能源以及电动汽车的发展和使用，电力电子设备应用逐渐增多，电网中旋转备用容量以及
转动惯量相对减少，对电网稳定性造成一定的影响。为了有效应对这一问题，必须基于V2G技术对具体的电动汽车充放电控制策略进行改进，在满足用户充电需求的同时为电网提供惯量、频率
支撑。目前有学者对电动汽车充电控制策略进行改进，将虚拟同步机(Virtual synchronous machine，VSM)技术用于双向变流器控制，使得电动汽车具有与同步
电机相同的有一次调频外特性，自主参与电网频率和
电压调节，同时具有同步电机所特有的惯量特性，克服大规模电动汽车接入电力系统所带来的惯量缺失等问题。但是目前大部分控制策略只是将电动动力
电池看成一个简单负载，并没有考虑动力电池实际充、放电过程以及其使用寿命问题；此外没有考虑加入二次调频功能，无法实现频率的无差调节。也有少量学者提出基于V2G技术的电动汽车参与电网二次调频的控制策略，但是其调频的实现需要借助于通信系统，并且需要中间代理商的参与，增加了信息传递链的长度和实现的复杂性，一定程度上造成了信息交互延时和成本的增加。因此本发明旨在基于V2G技术开发一种有效的电动汽车充放电控制方法，实现满足用户充电需求的
基础上为电网提供频率、惯量、电压支撑的目标，在无通信和中间代理商的情况下实现电网频率无差调节，将在很大程度上保障电网安全稳定运行。
发明内容
[0004] 本发明旨在基于V2G技术开发一种有效的电动汽车充放电控制方法，在满足用户充电需求的基础上为电网提供频率、惯量、电压支撑的目标，在无通信和中间代理商的情况下实现电网频率无差调节，保障电网安全稳定运行。
[0005] 本发明所要解决的技术问题在于，针对电动汽车大量入网以及大规模电力电子器件应用造成电力系统惯性缺失、频率不稳定的问题，结合现阶段先进的虚拟同步机控制
算法，实现电动汽车参与电网调频的功能，包括一次调频以及无通信情况下二次调频。
[0006] 为了解决上述问题，本发明提出一种应用虚拟同步机技术并具有V2G功能的电动汽车双向充放电控制方法，具有一次调频、以及无通信情况下二次调频功能。上述控制方法采用的充放电
电路为两级变换器电路，包括有PWM整流电路及配套
LC滤波器和Buck-Boost变换电路，两电路通过直流
母线电容进行连接。其中PWM整流电路将电网电压整流为700V直流电压，并且交流侧通过LC滤波器滤除谐波，经过网侧电感与电网相连；Buck-Boost变换电路将700V直流电压转化为60V直流电压，并直接和电动汽车相连。
[0007] 与双向充放电机主电路相对应，本控制方法可以分为两大模
块：AC/DC控
制模块和DC/DC
控制模块，所述AC/DC控制模块负责控制
直流母线电压维持在700V恒定值，并引入虚拟惯量、阻尼，对DC/DC功率变换做出准确响应；所述DC/DC控制模块对电动汽车动力电池进行恒压、恒流或恒功率充、放电控制，其充、放电模式根据电池状态进行灵活切换。同时将调频控制模块嵌入到DC/DC控制模块中，通过调频控制模块给出动力电池的充放电功率参考值，由变流器做出响应实现电网频率的一次、二次调节。
[0008] 所述AC/DC控制模块采用虚拟同步机控制技术，其包括有三个子模块：惯性阻尼模块、功率计算模块、无功-电压控制模块。
[0009] 所述惯性阻尼模块根据同步电机运动方程 进行设计，J为虚拟惯量，Te为电磁转矩，Tm为机械转矩，Kd为阻尼系数；将电磁转矩与机械转矩和阻尼转矩做差后与惯性常数做比，并且经过积分环节，可以得到虚拟同步机的虚拟
角速度ω，将虚拟角速度进行积分得到虚拟同步机交流侧电压的虚拟
相位θ。机械转矩由直流母线电压PI调节器输出： 其中KP和KI分别为PI
控制器的比例和积分系数，Vdc*
为直流母线的电压参考值(700V)，Vdc为直流母线电压的实际值，通过直流母线电压控制环实现对后级DC/DC功率需求的响应，为虚拟同步机控制提供功率参考值。
[0010] 所述功率计算模块主要作用是计算同步变流器交流侧产生的电磁转矩、
无功功率以及交流侧输出
三相电压，计算公式如下：
[0011] e＝Mfifωsinθ
[0012] Te＝Mfif
[0013] Q＝-Mfifω
[0014]
[0015]
[0016] 其中：<·,·>表示点积运算，e＝[ea，eb，ec]T为虚拟同步机电动势，Mf为虚拟同步机定、
转子之间的互感，if为虚拟励磁
电流，θ为虚拟同步机功角，i＝[ia，ib，ic]T为虚拟同步机输入电流，Q为虚拟同步机无功输出。
[0017] 所述无功-电压控制模块采用改进的无功下垂控制，当交流侧电压幅值与其参考值存在误差时，即ΔV＝Vn-V≠0，改变虚拟同步机发出/吸收的无功量，计算Vn为参考电压幅值，V为实际电压幅值，ΔQ为无功变化量，Kq、Kqi为比例、积分系数。将无功参考值Qset与ΔQ的和与实际无功值做差并通过增益为1/K的积分环节计算得到虚拟同步机虚拟励磁Mfif，调节交流侧电压。
[0018] 所述DC/DC控制模块包含有两个子模块：变流器控制子模块和调频控制子模块。
[0019] 所述变流器控制子模块有三种控制方式：恒压充电、恒流充电以及恒功率充电，当正常充电时，三种控制方式根据电动汽车的电池状态进行灵活切换：如果电池处于低电量状态则采用恒功率充电使得电池电量快速上升，当充电电流达到
指定值时切换为恒流充电模式，此时电池电压不断上升，当电池电压达到指定值时切换为恒压充电。此外，本发明中DC/DC变流器控制较为灵活，当处于正常充电状态时还可以采用负脉冲控制等
先进控制方法。当电动汽车允许参与电网调频时，DC/DC部分采用恒功率控制方式，有效
跟踪调频控制子模块给出的功率参考值。
[0020] 所述调频控制子模块分为一次调频和二次调频两部分。
[0021] 所述一次调频采用下垂控制策略，当电网频率下降时减少充电功率或提高放电功率，当电网频率上升时减小放电功率或提高充电功率。下垂控制环中在频率差计算之后加入死区环节，当电网
频率偏差大于死区值，即|fn-f|>fdeath时，令Δf＝f-fn，ΔP1＝KpfΔf，其中fn为频率额定值，f为频率实际值，Δf为频率差，fdeath为一次调频响应死区值，Kpf为下垂系数，ΔP1为一次调频环节输出的功率变化值，正值表示充电功率增加，负值表示充电功率降低。通过ΔP1改变电动汽车的充放电功率，使得电网频率稳定到一定值。当频率
波动范围处于很小的范围内时，一次调频控制环节不发挥作用，防止电池由于小频率扰动而充放电状态频繁变化造成电池使用寿命缩短的问题。
[0022] 所述二次调频控制主要根据一次调频达到稳定之后的电网频率偏差，对电动汽车“功率指令修正量”进行计算，并进一步调整电动汽车的充放电功率参考值。由于二次调频是在一次调频的基础上进行调节，因此本发明中二次调频相比于一次调频周期较长。
[0023] 根据包含电动汽车的有功功率-频率运行曲线以及电网有功功率-频率运行曲线，当由于电网发电功率突降或者冲击性、间歇性负荷突然增/降造成频率大幅度变化且超出正常频率允许波动范围(0.2Hz)时，即当|fn-f|>0.2Hz，计算电动汽车“功率参考修正量”ΔP2，改变电动汽车的充放电功率参考值，使得电动汽车的有功-频率运行曲线发生平移，将电网频率控制在允许的误差范围内，经过二次调频之后电网频率稳定在f’，f’的选择原则为保证动力电池在之后一次调频的过程中不超出可调功率限制，要求频率特性曲线移动条件为：也就是说运行在最小频率时，电动汽车功率刚好达到放电最大值。此时对应的负荷运行曲线与发电机运行曲线交点的横坐标为f’的最大边界值，记此处频率为f’max，f’的选择应该满足在区间[fmin,fmax]与[fmin,f’max]内。当f’maxfn时，可以选择f’＝fn。因此选择f’的原则为：
[0024]
[0025] 本发明将电动汽车看成特殊的负荷，考虑系统中其他传统负荷以及电动汽车有功功率-频率运行特性，电动汽车功率指令修正量为：
[0026] 当f'∈[fmin,fn-fdeath]时，
[0027] ΔP2＝(Kpf+KG+KL)(f-f')
[0028] 当f'∈[fn-fdeath,fn+fdeath]时，
[0029] ΔP2＝KG(f-f')+(Kpf+KL)(f-fn+fdeath)
[0030] +KL(fn-fdeath-f')
[0031] 当f'∈[fn+fdeath,fmax]时，
[0032] ΔP2＝KG(f-f')+2KLfdeath
[0033] +(KL+Kpf)(f-f'+2fdeath)
[0034] 式中f’death为一次调频响应死区值，KG为发电机的功率调节率，KL为系统中常规负荷功率调节率，Kpf为电动汽车下垂系数。为了将频率准确控制在f'，本发明以ΔP2'作为ΔP2的补偿量，相当于二次调频进行了两级调节，ΔP2'在ΔP2调节的基础上进行进一步的微调。将f'与实际测量频率做差，经过积分控制器得到“修正补偿量”ΔP2'，因此，调整后的充放电功率指令为：P'set＝Pset+ΔP2+ΔP2'。
[0035] 由于二次调频是在一次调频的基础上进一步对充、放电功率进行调节，二次调频相比于一次调频周期较长，在每个二次调频周期中对功率指令修正量进行多次计算，最后取平均值作为电动汽车功率参考修正量。
[0036] 上述二次调频环节通过改变
电动汽车电池充放电功率来响应电网频率变化，并将频率控制在误差允许范围内，调频改变充放电功率的同时考虑电动汽车充放电功率上下限，当充放电功率超出电动汽车合理范围时按照边界功率进行充放电。
[0037]
[0038] 本发明的效果，通过本发明可以促进未来大规模电动汽车作为移动储能设备保障电网频率稳定性。为电网提供惯性支撑、频率支撑以及功率支撑，同时还考虑了动力电池的使用寿命等问题，基于V2G技术实现电动汽车的充放电控制。前级AC/DC控制策略采用虚拟同步机控制策略，引入虚拟惯量和阻尼环节，克服了电力电子器件响应过快，惯性缺失的问题，为电网提供惯量支撑；引入无功下垂控制，为电网提供无功支撑。后级DC/DC控制方法中既考虑了动力电池的使用寿命问题，根据动力电池的运行状态对充放电模式进行选择，同时引入一次调频和二次调频控制，根据电网的频率对电动汽车的充放电状态进行调节，将电网的频率控制在允许的误差范围内，也可以实现频率的无差控制。
附图说明
[0040] 图2为本发明使用的AC/DC控制模块结构图。
[0041] 图3为本发明使用的DC/DC控制模块结构图。
[0042] 图4为电动汽车的有功功率-频率运行特性曲线图。
[0043] 图5为发电机有功-频率运行曲线图。
[0044] 图6为功率参考修正量补偿环图。
[0045] 图7为基于MATLAB/SIMULINK仿真平台搭建图。
[0046] 图8为仿真系统中电网频率以及系统与联络线中功率流动曲线图。
[0047] 图9为动力电池充放电功率曲线图。
[0048] 图10为动力电池SOC状态以及充电流电压曲线图。
具体实施方式
[0049] 下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
[0050] 本发明针对电动汽车大量入网以及大规模电力电子器件应用造成电网中惯性缺失，运行频率不稳定的问题，提供一种基于V2G技术的电动汽车双向充放电参与电网频率调节的控制方法，可以为电网提供惯性、频率支撑，实现频率无差调节。
[0051] 本发明采用的硬件功率电路如图1所示，两级功率变换电路包含前级PWM整流电路以及配套LC滤波器和Buck-Boost直流变换电路，两电路通过直流母线电容进行连接。其中PWM整流电路将电网电压整流为700V直流电压，并且交流侧通过LC滤波器滤除谐波，经过网侧电感与电网相连；所述Buck-Boost变换电路将700V直流电压转化为60V直流电压，并直接和电动汽车相连。
[0052] 本发明主要包括两个模块：如图2所示的AC/DC控制模块和如图3所示的DC/DC控制模块，其中DC/DC控制模块又可以分为两大部分：调频控制部分和变流器充电模式控制部分。调频控制分为一次调频和二次调频，一次调频通过下垂控制实现，但是考虑到动力电池使用寿命，计算频率差之后经过一个死区环节，只有当频率差超过死区设定值的时候下垂控制才会起调节作用，图4为电动汽车的有功功率-频率运行特性曲线。图5所示为将电动汽车作为特殊负荷的系统负荷以及发电机有功-频率运行曲线，二次调频根据该曲线计算功率参考修正量来
修改电动汽车的充电功率参考值实现。AC/DC控制模块控制直流母线电压维持在700V恒定值，将交流侧电压控制在参考值，并将虚拟惯量引入控制中，对DC/DC处功率变换做出响应；DC/DC控制部分对电动汽车动力电池进行恒压、恒流或恒功率控制，其充电模式根据电池状态进行切换。
[0053] 所述AC/DC控制模块采用虚拟同步机控制技术，其包括有三个子模块：惯性、阻尼模块，功率计算模块，无功-电压控制模块。
[0054] 上述惯性阻尼模块根据同步电机运动方程 进行设计，J为虚拟惯量，Te为电磁转矩，Tm为机械转矩，Kd为阻尼系数；将电磁转矩与机械转矩和阻尼转矩做差后与惯性常数做比，并且经过积分环节，可以得到虚拟同步机的虚拟角速度ω，将虚拟角速度进行积分得到虚拟同步机交流侧电压的虚拟相位θ。机械转矩由直流母线电压PI调节器输出： 其中KP和KI分别为PI控制器的比例和积分系数，Vdc*
为直流母线的电压参考值(700V)，Vdc为直流母线电压的实际值，通过直流母线电压控制环实现对后级DC/DC功率需求的响应，为虚拟同步机控制提供功率参考值。
[0055] 功率计算模块主要作用是计算同步变流器交流侧产生的电磁转矩、无功功率以及交流侧输出三相电压，计算公式如下：
[0056] e＝Mfifωsinθ
[0057] Te＝Mfif
[0058] Q＝-Mfifω
[0059]
[0060]
[0061] 其中：<·,·>表示点积运算，e＝[ea，eb，ec]T为虚拟同步机电动势，Mf为虚拟同步机定、转子之间的互感，if为虚拟励磁电流，θ为虚拟同步机功角，i＝[ia，ib，ic]T为虚拟同步机输入电流，Q为虚拟同步机无功输出。
[0062] 无功-电压控制模块模采用改进的无功下垂控制，当交流侧电压幅值与其参考值存在误差时，即ΔV＝Vn-V≠0，改变虚拟同步机发出/吸收的无功量，计算Vn为参考电压幅值，V为实际电压幅值，ΔQ为无功变化量，Kq、Kqi比
例、积分系数。将无功参考值Qset与ΔQ的和与实际无功值做差并通过积分环节计算得到虚拟同步机虚拟励磁Mfif，调节交流侧电压。
[0063] DC/DC控制模块包含有两个子模块：变流器控制子模块和调频控制子模块。
[0064] 变流器字控制模块有三种控制方式：恒压、恒流以及恒功率控制，当正常充电时，三种控制方式根据电动汽车的电池状态进行灵活切换：如果电池处于低电量状态则采用恒功率充电使得电池电量快速上升，当充电电流达到指定值时切换为恒流充电模式，此时电池电压不断上升，当电池电压达到指定值时切换为恒压充电。此外，本发明中DC/DC变流器控制较为灵活，当处于正常充电状态时还可以采用负脉冲控制等先进控制方法。当电动汽车允许参与电网调频时，DC/DC部分采用恒功率控制方式，有效跟踪调频控制子模块给出的功率参考值。
[0065] 调频控制模块分为一次调频和二次调频，一次调频采用下垂控制策略，当电网频率下降时减少充电功率或提高放电功率，当电网频率上升时减小放电功率或提高充电功率。下垂控制环中在频率差计算之后加入死区环节，当电网频率偏差大于死区值，即|fn-f|>fdeath时，令Δf＝f-fn，ΔP1＝KpfΔf，其中fn为频率额定值，f为频率实际值，Δf为频率差，fdeath为一次调频响应死区值，Kpf为下垂系数，ΔP1为一次调频环节输出的功率变化值，正值表示充电功率增加，负值表示充电功率降低。通过ΔP1改变电动汽车的充放电功率，使得电网频率稳定到一定值。当频率波动范围处于很小的范围内时，一次调频控制环节不发挥作用，防止电池由于小频率扰动而充放电状态频繁变化造成电池使用寿命缩短的问题。
[0066] 二次调频控制主要根据一次调频达到稳定之后的电网频率变化，对电动汽车“功率参考修正量”进行计算，并改变电动汽车的充放电功率参考值。由于二次调频是在一次调频的基础上进行调节，二次调频相比于一次调频周期较长，本发明中设置二次调频周期为一次调频控制周期的20倍，在每个控制周期中对二次调频功率参考修正量进行20次计算，最后取平均值作为电动汽车功率参考修正量。
[0067] 电动汽车有功功率-频率运行曲线如图4所示，此处将电动汽车作为一种特殊负载，当其功率为负时表示处于放电工作状态，其中当频率处于死区区间[fn-fdeath，fn+fdeath]时充放电功率不发生变化，且受到电池本身限制，其充放电功率存在限制，当频率超出上述死区区间时表现下垂特性。当系统中存在有传统负载时，系统的负荷有功功率-频率运行曲线如图5所示，由额定频率fn向两边延伸，曲线斜率先变大后边小，是由于死区区间内电动汽车不表现下垂特性，且当电动汽车达到功率限值时斜率变小。
[0068] 根据包含电动汽车的有功功率-频率运行曲线以及电网有功功率-频率运行曲线，当由于电网发电功率突降或者冲击性、间歇性负荷突然增/降造成频率大幅度变化且超出正常频率允许波动范围(0.2Hz)时，即当|fn-f|>0.2Hz，计算电动汽车“功率参考修正量”ΔP2，改变电动汽车的充放电功率参考值，使得电动汽车的有功-频率运行曲线发生平移，将电网频率控制在允许的误差范围内，经过二次调频之后电网频率稳定在f’，f’的选择原则为保证动力电池在之后一次调频的过程中不超出可调功率限制，要求频率特性曲线移动条件为：也就是说运行在最小频率时，电动汽车功率刚好达到放电最大值，如图5所示。此时对应的负荷运行曲线与发电机运行曲线交点的横坐标为f’的最大边界值，记此处频率为f’max，f’的选择应该满足在区间[fmin,fmax]与[fmin,f’max]内。当f’maxfn时，可以选择f’＝fn。因此选择f’的原则为：
[0069]
[0070] 图5中，电动汽车最初稳定运行在A点正常充电，某一时刻电网发电功率突降，发电运行曲线由PG1降到PG2，此时电动汽车运行稳定点将由A点向B点移动，此时频率误差超出允许最大范围，选择f'作为最终运行频率。电动汽车功率设定值变化量为：
[0071] 当f'∈[fmin,fn-fdeath]时，
[0072] ΔP2＝(Kpf+KG+KL)(f-f')
[0073] 当f'∈[fn-fdeath,fn+fdeath]时，
[0074] ΔP2＝KG(f-f')+(Kpf+KL)(f-fn+fdeath)
[0075] +KL(fn-fdeath-f')
[0076] 当f'∈[fn+fdeath,fmax]时，
[0077] ΔP2＝KG(f-f')+2KLfdeath
[0078] +(KL+Kpf)(f-f'+2fdeath)
[0079] 其中，KG为发电机功率调节系数。同时由图6中功率参考修正量补偿环计算得出“修正补偿量”ΔP2'，电动汽车新的充放电功率参考值为：P'set＝Pset+ΔP2+ΔP2'，使得系统频率能够准确稳定在f'。判断新的充放电功率参考值是否在电动汽车运行的正常范围内，将新的参考值与充放电功率上下限进行比较，并根据比较情况进行调整。
[0080] 基于MATLAB/SIMULINK仿真平台搭建图7所示的系统模型，采用本发明型控制策略控制双向充放电机，1s之前不加入二次调频控制，设置一次调频控制环节死区为±0.005Hz。0.3s时系统1中加入负载4，1s时加入二次调频控制环节，并且二次调频控
制动作死区值设为±0.02Hz，设置动力电池最大充电功率为15kW，最大放电功率为10kW。图8所示为仿真系统中电网频率以及系统与联络线中功率流动曲线图，图9为动力电池充放电功率曲线图(负值表示充电，正值表示放电)，图10为动力电池SOC状态以及充电流电压曲线图(电流负值表示处于充电状态)。
[0081] 0.3s时系统1负载增加，发电功率不足导致系统频率下降，由于双向充放电机控制中存在一次调频控制环节，系统频率缓慢稳定到一定值，此过程中动力电池充电功率降低，充电电压电流均有所下降，SOC增长速度稍有放缓，最后充电功率稳定在4.3kW左右。1s时加入二次调频控制环节，二次调频周期为一次调频周期的20倍，取f'为49.98Hz，由于系统此时频率为49.96Hz，超过了二次调频控制动作死区设定值±0.02Hz，二次调频控制产生作用，系统频率缓慢上升，且稳定在±0.02Hz误差范围内，此过程中动力电池充电功率降低，充电电压电流均有所下降，SOC增长速度明显放缓，最后充电功率稳定在1.5kW左右。由上述仿真可知本发明可以有效的将电动汽车作为电力系统备用容量参与到电力系统调频过程中，并且频率变化过程存在一定的惯性，克服了电力电子器件动作过快的缺点，为电网提供惯量、频率支撑。
[0082] 本发明所提供的控制方法考虑了动力电池使用寿命、电网惯量缺失多方面问题，在满足电动汽车用户充电需求的同时为电网提供频率、惯性、电压支撑，可以在电动汽车可调用容量足够的情况下实现电网频率的无差调节。
[0083] 以上对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的内容。基于本发明中的实施方式，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。
