[发明专利]一种应用于电动汽车充电桩的负荷虚拟同步发电机系统及控制方法

权利要求书

1.一种应用于电动汽车充电桩的负荷虚拟同步发电机系统，其特征在于：充电桩等效为一台虚拟同步发电机，充电桩采用双向DC/DC+双向DC/AC的两级式主电路拓扑；控制系统包括：

调速器，接收充电桩的频率参考值ω_ref以及实际值ω，其输出与引入的直接功率控制与直接电压控制输出叠加后，作为同步发电机转子运动方程模型中的机械功率提供给功频控制器；

功频控制器，其输出为同步角θ，用于对定子电压、定子电流进行dq旋转变换；

励磁与无功调节器，接收无功参考值Q_ref以及实际值Q和充电桩的定子电压参考值U_ref以及实际值U_g，输出作为同步发电机机电方程模型中的定子电压参考值提供给定子电压闭环控制单元；

定子电压闭环控制单元，其输出作为定子电流闭环控制单元的参考输入；

所述定子电压闭环控制单元的输出产生PWM控制信号，驱动功率器件动作，由此实现虚拟同步发电机的控制。

2.根据权利要求1所述的应用于电动汽车充电桩的负荷虚拟同步发电机系统，其特征在于：所述两级式主电路拓扑中，前级DC/DC采用隔离型或非隔离型拓扑，后级DC/AC采用三电平或两电平拓扑，以满足能量双向流动、直流电压宽范围变换及充电桩参与电网频率与电压调节的要求。

3.权利要求1所述应用于电动汽车充电桩的负荷虚拟同步发电机系统的控制方法，包括以下步骤：

1)根据需求选择充电桩运行模式，即直接功率控制模式或直接电压控制模式，运算得到相应的机械功率提供给功频控制器；

2)将同步发电机转子运动方程模型转换为频域模型，得到功频控制器，其输出为同步角θ；

3)励磁与无功调节器输出作为d轴内电势参考值E_d，将q轴内电势参考值设定为0，基于步骤2)中功频控制器输出的同步角θ分别对定子电压、定子电流进行dq旋转变换；

4)在定子电压d、q轴闭环控制环节引入虚拟电阻R和虚拟电抗L，虚拟电阻R用于抑制暂态故障态下的过电流，虚拟电抗L用于实现多充电桩并联运行时的无功功率均衡分配；再由d、q轴参考内电势分别减去虚拟电阻与虚拟电抗上压降即得到对应同步发电机机电方程模型中的d、q轴定子电压参考值；

5)对定子电压与定子电流分别进行闭环控制并产生PWM并驱动功率器件动作，由此实现基于充电桩的虚拟同步发电机控制。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：

建立的同步发电机转子运动方程模型如下：

建立的同步发电机机电方程模型如下：

u_d＝E_d-Ri_d+ωLi_q

u_q＝E_q-Ri_q-ωLi_d

式中：J为同步发电机转动惯量，kg·m²；ω、ω_g分别为同步发电机电气角频率和电网角频率，rad/s；P_m、P_e分别为同步发电机机械、电磁功率，kW；D为同步发电机阻尼系数，N·m·s；u_d、u_q分别为定子电压d、q轴分量，V；E_d、E_q分别为内电势d、q轴分量，V；i_d、i_q分别为定子电流d、q轴分量，A；R、L分别为同步电阻与同步电抗。

5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：

所述直接功率控制具体是：将充放电功率指令P₀作为机械功率参考值P_m的一部分，即实现直接功率控制并参与电动汽车充放电控制；

所述直接电压控制具体是：通过引入直流电压闭环控制并将其输出作为机械功率参考值P_m的一部分，使充电桩具备直接电压控制功能，如下式：

P_dc＝(U_{dc_ref}-U_dc)·PI(s)

式中：U_{dc_ref}、U_dc分别为直流电压参考值和实际值，V。