CN111137163A - 一种基于虚拟同步电动机的电动汽车快充控制方法及*** - Google Patents

一种基于虚拟同步电动机的电动汽车快充控制方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明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***，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***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***连接的获取模块、确定模块、前级控制模块和后级控制模块。

Description

一种基于虚拟同步电动机的电动汽车快充控制方法及***
技术领域
本发明属于电力电子应用技术领域，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***。
背景技术
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***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***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(virtual synchronous motor,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***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。Suul J A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。
发明内容
为了弥补上述缺陷，本发明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。
本发明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：
Figure BDA0001851948540000031
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：
Figure BDA0001851948540000032
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：
Figure BDA0001851948540000033
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***，所述***包括与电动汽车非车载充 电机***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***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；
电压合成单元(5)，用于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；
定子电压方程单元(6)，用于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；
所述前级控制子模块包括：
电流控制单元(7)，用于通过三相电流参考指令产生6路脉冲信号；
SVPWM单元(8)，用于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；
所述后级控制模块包括：
有效值测量单元(9)，用于测量全桥谐振LLC变换电路的谐振电流；
双闭环控制单元(10)，用于根据稳压运行的直流母线电压和全桥谐振LLC变换电路的 谐振电流产生4路脉冲信号；
PWM单元(11)，用于根据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。
进一步地，所述测量计算单元(1)分别与励磁控制单元(2)和下垂控制单元(3)连接；
所述下垂控制单元(3)与转子运动方程单元(4)连接，所述励磁控制单元(2)和转子 运动方程单元(4)分别与电压合成单元(5)连接；
所述电压合成单元(5)分别与定子电压方程单元(6)、电流控制单元(7)、SVPWM单元(8)连接；
所述有效值测量单元(9)分别与双闭环控制单元(10)和PWM单元(11)连接。
进一步地，所述SVPWM单元(8)与所述三相电压源PWM整流器的控制信号输入端 串联连接；
所述PWM单元(11)与全桥谐振LLC变换器控制信号输入端串联连接。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
本发明公开了一种基于虚拟同步电动机的电动汽车快充控制方法及***，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；实现电路因数的矫正，稳定直 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；保证虚拟同步电动机具备传统同步电动机一样的惯量、阻尼特性及一次调频、 调压能力外，实现了动力电池恒流快充功能。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***前后两级电路控制目标不同，分工明确；主要包括与电动汽车非车载充电 机***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；满足了稳定直 流母线电压的需求的同时且实现了电动汽车的恒流快充。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的控制方法流程图；
图2为本发明实施例中提供的电动汽车非车载充电机拓扑结构图；
图3为本发明实施例中提供的适用于电动汽车快充的虚拟同步电动机控制框图；
图4为本发明实施例中提供的电动汽车仿真***图；
图5为本发明实施例中提供的整流器有功功率随惯量J和阻尼D变化的波形图，其中(a) 为J变化时的有功功率波形图，(b)为D变化时的有功功率波形图；
图6为本发明实施例中提供的VSM的一次调节特性图，其中(a)为有功功率变化图，(b)为频率变化图，(c)为无功功率变化图，(d)为电压幅值变化图；
图7为本发明实施例中提供的非车载充电机I的动态响应波形图，其中(a1)为传统控制下 整流器的有功功率，(a2)为所提控制下整流器的有功功率，(b1)为传统控制下整流器的无功功 率，(b2)为所提控制下整流器的无功功率，(c1)为传统控制下电网的有功功率，(c2)为所提控 制下电网的有功功率，(d1)为传统控制下电网的无功功率，(d2)为所提控制下电网的无功功率， (e1)为传统控制下电网频率，(e2)为所提控制下电网频率，(f1)为传统控制下电网电压幅值，(f2)为所提控制下电网电压幅值，(g1)为传统控制下动力电池充电电流，(g2)为所提控制下动 力电池充电电流，(h1)为传统控制下直流母线电压，(h2)为所提控制下直流母线电压。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明方法的实施方案详细描述。
一、本发明提出的一种基于虚拟同步电动机的电动汽车快充控制***，包括与电动汽车 非车载充电机***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。
其中，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；
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；
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，
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；
电压合成单元(5)，用于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；
定子电压方程单元(6)，用于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；
前级控制子模块包括：
电流控制单元(7)，用于通过三相电流参考指令产生6路脉冲信号；
SVPWM单元(8)，用于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；
所述后级控制模块包括：
有效值测量单元(9)，用于测量全桥谐振LLC变换电路的谐振电流；
双闭环控制单元(10)，用于根据稳压运行的直流母线电压和全桥谐振LLC变换电路的 谐振电流产生4路脉冲信号；
PWM单元(11)，用于根据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。
如图3所示，测量计算单元(1)分别与励磁控制单元(2)和下垂控制单元(3)连接；
下垂控制单元(3)与转子运动方程单元(4)连接，所述励磁控制单元(2)和转子运动 方程单元(4)分别与电压合成单元(5)连接；
电压合成单元(5)分别与定子电压方程单元(6)、电流控制单元(7)、SVPWM单元(8)连接；
有效值测量单元(9)分别与双闭环控制单元(10)和PWM单元(11)连接。
SVPWM单元(8)与所述三相电压源PWM整流器的控制信号输入端串联连接；
PWM单元(11)与全桥谐振LLC变换器控制信号输入端串联连接。
如图2所示的电动汽车非车载充电机***，整体包括具备一次调压、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；同步电网经LC滤波电路、三相电压型PWM整流器、全桥 谐振LLC变换电路向动力电池充电；其中同步电网是由具有一次调压、调频特性的同步发电 机构成，是实际电网中所有电源的等值模型，其容量为所有电源容量之和。图3中，同步电 网的输出端与获取模块包含的测量计算单元(1)连接。
二、本发明提出的一种基于虚拟同步电动机的电动汽车快充控制方法，总体的控制过程 包括：前级电路通过采样同步电网的输出电压uabc和输出电流iabc通过测量计算单元1产生励 磁控制单元2的整流器无功功率Q、电压幅值Um和基于充电模式的Pbat-ω下垂控制单元3 的角频率ωg，将整流器无功功率Q、无功功率参考值Qn、电压幅值Um和电压幅值参考值 Un送入励磁控制单元2后输出励磁电动电势指令，将动力电池充电功率Pbat、充电功率设定 值Pbat-set、角频率ωg和角频率参考值ωn送入基于充电模式的Pbat-ω下垂控制单元3后进入转 子运动方程单元4，并输出角度θ指令，将将励磁电动势幅值指令E和角度指令θ送入电压 合成单元5得到的三相励磁电动势eabc指令经定子电压方程单元6后得到三相电流参考指令 if,abc *，经电流控制单元7和SVPWM单元8后产生6路脉冲信号导通三相电压型PWM整流 器的开关管；后级全桥谐振LLC变换电路的谐振电流ir经过有效值测量单元9得到Ir，与直 流母线电压Udc送入双闭环控制单元10和PWM单元11产生4路脉冲导通全桥谐振LLC变换器的开关管。
如图1所示的控制方法具体包括以下步骤：
S1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；
S2基于充电模式的下垂关系，确定动力电池的实际充电功率；
S3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；
S4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。
步骤S2中，通过下式确定充电模式的下垂关系：
Figure BDA0001851948540000091
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。
通过下式确定所述充电电流设定值：
Ibat-set＞|容量(Ah)| (2)
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：
Figure BDA0001851948540000101
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：
Figure BDA0001851948540000102
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。
步骤S3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。
步骤S4，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。
综上所述，以上技术方案具备的技术与方法上的创新包括：
(1)前后两级电路控制目标不同，分工明确。前级新型VSM控制体现同步电动机一样 的惯量、阻尼和一次调节特性的同时，还可实现电动汽车的恒流快充功能；后级双闭环控制 主要负责稳定直流母线电压。
(2)新型VSM控制中的基于充电模式的下垂控制，通过设置充电电流设定值，可使非 车载充电机以恒流快充模式给动力电池充电。
实施例：
图2给出为电动汽车非车载充电机拓扑结构图，整体包括同步电网经LC滤波电路、三相电压型PWM整流器、全桥谐振LLC变换电路向动力电池充电；其中同步电 网是由具有一次调压、调频特性的同步发电机构成，是实际电网中所有电源的等值模 型，其容量为所有电源容量之和。
图3给出了适用于电动汽车快充的虚拟同步电动机控制框图。前级同步电网的输出 端与测量计算单元1连接，测量计算模块1分别与励磁控制单元2和基于充电模式的Pbat-ω 下垂控制单元3连接，基于充电模式的Pbat-ω下垂控制单元3与转子运动方程单元4连接， 励磁控制单元2和转子运动方程单元4共同和电压合成模块5连接，电压合成单元5分别与 定子电压方程单元6、电流控制单元7、SVPWM单元8连接，SVPWM单元8三相电压源 PWM整流器控制信号输入端串联连接；后级全桥谐振LLC变换电路的谐振电流分别与有效 值测量单元9、双闭环控制单元10、PWM单元11连接，PWM单元11与全桥谐振LLC变 换器控制信号输入端串联连接。
所述的基于充电模式的Pbat-ω下垂控制单元3在传统下垂控制方法的基础上，考虑了电 动汽车的充电方式，可实现非车载充电机以恒流快充模式给动力电池充电，基于充电模式的 下垂关系表达式为
Figure BDA0001851948540000111
其中，Ubat为动力电池的实际充电电压，Ibat-set为充电电流设定值。
因为动力电池的容量单位为Ah，等于充电电流(A)和充电时间(h)的乘积，即容量(Ah)＝ 充电电流(A)×时间(h)。电动汽车采用快充模式时充电时间通常小于1h，即时间(h)<1h。实 现恒流快充功能，则需设置
Ibat-set＞|容量(Ah)| (2)
所述的为实现基于充电模式的Pbat-ω下垂控制单元3和转子运动方程单元4的连接，根 据是否考虑损耗，有两种设置形式。如果转换电路的效率非常高，则可以忽略损耗，则可得 出下列关系式：
Figure BDA0001851948540000121
如果效率不被忽略，假设我们继续使用等式(3)，这将使实际充电电流略小于设定值，即 Ibat<Ibat-ref。因此，为了严格地让Ibat＝Ibat-ref，等式(3)被修改如下：
Figure BDA0001851948540000122
在式(4)中，η是随功率变化的效率系数，其表达式是η＝Pbat/P。P不仅是整流器功率，还 是非车载充电机的输入功率。Pbat代表动力电池的充电功率以及非车载充电机的输出功率。
具体控制过程如下：
前级电路通过采样同步电网的输出电压uabc和输出电流iabc通过测量计算模块1产生励 磁控制单元2的整流器无功功率Q、电压幅值Um和基于充电模式的Pbat-ω下垂控制单元3 的角频率ωg，将整流器无功功率Q、无功功率参考值Qn、电压幅值Um和电压幅值参考值Un送入励磁控制单元2后输出励磁电动电势E指令，将动力电池充电功率Pbat、充电功率 设定值Pbat-set、角频率ωg和角频率参考值ωn送入基于充电模式的Pbat-ω下垂控制单元3后进入转子运动方程单元4，并输出角度θ指令，将将励磁电动势幅值指令E和角度指令θ 送入电压合成单元5得到的三相励磁电动势eabc指令经定子电压方程单元6后得到三相电 流参考指令if,abc *，经电流控制单元7和SVPWM单元8后产生6路脉冲信号导通三相电压 型PWM整流器的开关管；后级全桥谐振LLC变换电路的谐振电流ir经过有效值测量单元 9得到Ir，与直流母线电压Udc送入双闭环控制单元10和PWM单元11产生4路脉冲导通 全桥谐振LLC变换器的开关管。
在MATLAB/Simulink中搭建如图4所示的电动汽车仿真***图，对所提控制策略的有效性进行验证。
(一)惯量、阻尼特性的验证
以图4中的非车载充电机I为例，分别选择惯量和阻尼的三个典型值，以观察不 同惯量和阻尼对整流器有功功率的影响，即J＝0.05,1,1.5和D＝12,20,30。在初始状 态下，电网向动力电池I和动力电池II供电。动力电池II在1秒时退出运行。图5给 出整流器有功功率随惯量J和阻尼D变化的波形，其中(a)为J变化时的有功功率波形 图，(b)为D变化时的有功功率波形图。
由图5可知，所提出的VSM策略将同步电动机的惯量、阻尼特性引入至非车载 充电机控制当中。由图5(a)可看出，转动惯量J可抑制功率突变，但随着J的增大， ***动态响应变慢，有功功率开始振荡；在图5(b)中，随着阻尼D增大，会抑制*** 的振荡，但阻尼过大会使***到达稳态时的所用时间变长。因此，上述的惯量、阻尼 效应与同步电动机的动态特性相一致。
(二)一次调节特性的验证
以图4中的非车载充电机I作为研究点，验证了VSM的一次调节特性。仿真工况： ①在1.5秒之前，电网向1kVar无功负载，动力电池I和动力电池II供电。②非车载 充电机II在1.5秒后停止运行，并在2.5秒后再次连接到电网。③AC接口的1kVar 无功负载在3.5s时退出运行。值得注意的是，当有功功率和无功功率波动时，电网 和非车载充电机I的调节比设定为1:1。此外，非车载充电机II的有功功率设定为 30kW。图6给出VSM的一次调节特性，其中(a)为有功功率变化图，(b)为频率变化 图，(c)为无功功率变化图，(d)为电压幅值变化图。
从图6(a)、(c)可看出，根据1:1的调节比例，除了电网承担的功率外，在1.5s—2.5s 之间整流器增加了15kW有功功率的吸收，由于无功负荷的退出整流器的无功功率从-500Var变化到0Var。同时，从图6(b)和(d)可知，VSM的频率和电压根据其下垂特性 进行调整。因此，在稳定状态下，当充电负荷频繁投退时，所提出的VSM参与频率 和电压的调节。
(三)控制方案对比验证
以图4为仿真***，所提出的控制方法和传统控制分别应用于非车载充电机I。传统控制 是指非车载充电机不具备同步电动机的功率调节特性，仅实现充电功能。当动力电池II通过 非车载充电机II投退并且交流接口的无功功率波动时，两种控制方法对电网频率和电压的影 响进行对比。进一步解释，对于VSM控制的非车载充电机I，动力电池I的额定容量为100Ah， 为了使其在恒流快充模式下工作，充电电流参考值设定为额定容量的1.5倍，即Ibat-ref＝1.5|容 量|＝150A，所以Pbat-ref＝Ibat-ref×Ubat＝150Ubat。
基于以上工况和参数设置，设置了三种仿真情形：①仿真时间为4.5秒。在1.5秒之前，电 网通过非车载充电机I以150A的充电电流给动力电池I快速充电。②在1.5s时，动力电池II通过 非车载充电机II接入电网，并在2.5秒时退出运行。在该时间范围内，车外充电器II的消耗有 功功率为60kW。③交流接口处的2kVar无功负载在3.5s时接入电网。图6给出非车载充电机I 的动态响应波形，其中红线表示传统控制(由x1表示，x＝a，b，c，...，h)，蓝线表示所提控 制(由x2表示，x＝a，b，c，...，h)，其中(a1)为传统控制下整流器的有功功率，(a2)为所提控 制下整流器的有功功率，(b1)为传统控制下整流器的无功功率，(b2)为所提控制下整流器的无 功功率，(c1)为传统控制下电网的有功功率，(c2)为所提控制下电网的有功功率，(d1)为传统控 制下电网的无功功率，(d2)为所提控制下电网的无功功率，(e1)为传统控制下电网频率，(e2) 为所提控制下电网频率，(f1)为传统控制下电网电压幅值，(f2)为所提控制下电网电压幅值，(g1) 为传统控制下动力电池充电电流，(g2)为所提控制下动力电池充电电流，(h1)为传统控制下直 流母线电压，(h2)为所提控制下直流母线电压。
由图7可知，初始状态下，电网通过非车载充电机I以150A充电电流快速为动力电池I充电。 当动力电池II在1.5s时连接到电网并且无功负载在3.5s时接入交流接口时，对于传统控制，由 图7(a1)、(b1)可知，无论负载如何变化，非车载充电机I***都不参与有功和无功功率调节。 在该情况下，功率变化完全由电网承担。电网发送的有功功率从115kW增加到175kW(如图 7(c1)所示)，这导致电网频率降低0.32Hz(如图7(e1)所示)。此外，从图7(d1)、(f1)可知，在3.5 秒时，电网发出的无功功率从0Var增加到2000Var，这导致电压幅值从311.159V下降到306V。
相反地，对于所提控制方法，非车载充电机I和电网以1:1的比例共同承担有功和无功功 率。在1.5s和2.5s之间，从图7(a2)和(c2)可以观察到整流器的有功功率从100kW减小到75kW， 电网传输的功率从115kW增加到145kW。二者调节总和等于非车载充电机II的消耗有功功率 60kW。与传统控制相比，图7(e2)中的电网频率仅下降了0.17Hz。此外，针对3.5s时的2kVar 无功负载的接入，图7(b2)和(d2)显示整流器降低了1kVar的无功吸收，电网发出1kVar的无功功 率。根据无功下垂系数，图7(f2)中电网的电压幅度降低了3.15V，其下降程度小于传统控制。 由于VSM控制的非车载充电机I参与频率和电压的调节，因此在动力电池II的接入期间，图7(g2) 中动力电池I的充电电流降低。然而，在图7(g1)的传统控制中，充电电流保持恒定在150A。 此外，在图7(h2)中可知，后级双闭环控制可以将直流母线电压稳定在参考值800V。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。 因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的 形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储 介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形 式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/ 或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/ 或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令 到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个 机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程 图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工 作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制 造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指 定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或 其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编 程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多 个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制， 尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领 域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换， 这些变更、修改或者等同替换，其均在其申请待批的权利要求范围之内。

Claims (12)

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：
Figure FDA0001851948530000021
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：
Figure FDA0001851948530000022
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：
Figure FDA0001851948530000023
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***，其特征在于，所述***包括与电动汽车非车载充电机***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。
9.根据权利要求8所述的***，其特征在于，所述电动汽车非车载充电机***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。
10.根据权利要求8所述的***，其特征在于，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；
电压合成单元(5)，用于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；
定子电压方程单元(6)，用于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；
所述前级控制子模块包括：
电流控制单元(7)，用于通过三相电流参考指令产生6路脉冲信号；
SVPWM单元(8)，用于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；
所述后级控制模块包括：
有效值测量单元(9)，用于测量全桥谐振LLC变换电路的谐振电流；
双闭环控制单元(10)，用于根据稳压运行的直流母线电压和全桥谐振LLC变换电路的谐振电流产生4路脉冲信号；
PWM单元(11)，用于根据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。
11.根据权利要求10所述的***，其特征在于，所述测量计算单元(1)分别与励磁控制单元(2)和下垂控制单元(3)连接；
所述下垂控制单元(3)与转子运动方程单元(4)连接，所述励磁控制单元(2)和转子运动方程单元(4)分别与电压合成单元(5)连接；
所述电压合成单元(5)分别与定子电压方程单元(6)、电流控制单元(7)、SVPWM单元(8)连接；
所述有效值测量单元(9)分别与双闭环控制单元(10)和PWM单元(11)连接。
12.根据权利要求9或10所述的***，其特征在于，所述SVPWM单元(8)与所述三相电压源PWM整流器的控制信号输入端串联连接；
所述PWM单元(11)与全桥谐振LLC变换器控制信号输入端串联连接。
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