[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

说明书

本发明提供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，充电桩采用双向DC/DC+双向DC/AC的两级式主电路拓扑，在充电桩的双向DC/AC接口中引入虚拟同步发电机控制技术；在旋转坐标系下引入虚拟阻抗技术，在实现多充电桩并联运行无功功率均衡分配的同时，可有效抑制故障态下的暂态过电流。本发明一方面使整个充电桩具有惯性/阻尼、一次调频与无功调压功能，对外表现出虚拟同步发电机的外特性，另一方面可有效避免大规模充电桩集群引起的无功功率无法均衡分配的问题，有助于提升电网电压与频率稳定性，为更大规模充电桩负荷的接入奠定基础，方法简单有效，利于工程应用。

技术领域

本发明属于电气工程领域，具体涉及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。

背景技术

近年来，我国电动汽车产业得到持续快速发展，作为用电负荷，电动汽车不仅仅是电能消耗者，也是电能生产者，且其可控性、互动性和活跃性更强。然而大规模电动汽车无序接入电网，其动态响应特性和静态出力特性与常规同步发电机具有显著差异，对电网的运行稳定性和供电充裕性产生较大的影响，主要表现为：

1)抑制电网频率扰动的能力趋于减弱，易引发频率稳定性问题。

2)抑制电网电压扰动的能力趋于减弱，易引发电压稳定性问题。

发明内容

针对电动汽车大规模无序接入电网引起的上述问题，本发明在电动汽车充电桩中引入虚拟同步机控制技术，提出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，使其在发挥负荷特性的同时，还能发挥电源的特性，并参与电网频率与电压调节，则必然能提高电网运行稳定性。

本发明的解决方案如下：

该应用于电动汽车充电桩的负荷虚拟同步发电机系统，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。

进一步的，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。

对于上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；