CN109638843A - 一种能量路由器充电桩统一协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能量路由器充电桩统一协调控制方法，其中储能双有源桥变换器和充电桩双有源桥变换器采用基于下垂的分布式控制与基于电流跟踪的集中式控制相结合的控制方法。在所述下垂控制里加入电流控制环节，从而能够通过精准的电流跟踪使得变换器能够传输容量允许范围内的任意功率大小，做到在工况切换时先将要切换的变换器与直流母线间传输的功率降为零再切入或切除，从而避免冲击，达到软切换的目的。此外，本专利所提控制策略充分发挥了下垂控制二次电压补偿的优势，再实现精准电流控制的同时，同时能够实现直流母线电压的稳定，并通过在二次电压补偿中加入惯性延迟环节避免了系统启动或者脉冲扰动等情况时的电压过补充造成的系统不稳定现象。

Description

一种能量路由器充电桩统一协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种能量路由器充电桩统一协调控制方法，属于微电网控制领域。

背景技术

随着电动汽车的快速发展，对于电动汽车充电桩的需求越来越大。传统的电动汽车充电桩直接挂靠在大电网运行，且功率单相传输，只能从大电网流向电动汽车电池。这样，当越来越多的电动汽车进行无序充电时，势必对电网造成很大的负担，发电侧要增加很大的备用容量才能维持大电网电压与频率稳定。但是从另一个角度来看，电动汽车也是一个很大的储能，如果能够对电动汽车调度进行有序充放电的话，那么将可以对大电网起到很好的支撑作用。因而现有研究V2G技术，利用充电桩与大电网能量的双向流动，来调度电动汽车进行有序充放电。但是，仅仅使用双向充电桩挂靠在大电网运行，对于用户的体验度比较差，可能出现用户需要充电与大电网需要调度充电桩放电的矛盾。此外，可再生能源的分布式发电的综合效益也日益显现，如何在保障可靠性的前提下提高可再生能源的渗透率的问题也得到了极大的关注。

利用能量路由器，将光伏、储能、双向电动汽车充电桩整合在一起，构成一个直流微网，再通过双向AC-DC与大电网连接将是一个很好的选择，这一方面有利于分布式发电的自消纳，另一方面也有效降低了分布式发电出力间歇性以及电动汽车接入的随机性对系统稳定性与可靠性的影响。基于此拓扑结构，有必要研究一种统一协调控制策略，来有效控制各种工况的软切换，从而做到在各种工况下直流微电网系统内的电压稳定与功率平衡。

发明内容

发明目的：本发明提出一种能量路由器充电桩统一协调控制方法，在各种工况下维持直流微电网内的电压稳定与功率平衡。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种能量路由器充电桩统一协调控制方法，包括与直流母线连接的储能双有源桥变换器、充电桩双有源桥变换器以及升压变压器，所述直流母线同时与电网连接，储能双有源桥变换器和充电桩双有源桥变换器采用基于下垂的分布式控制与基于电流跟踪的集中式控制相结合的控制方法。

所述储能双有源桥变换器首先DAB电流I₁与第一电流参考值I_1ref相减得到的差值，再经过比例积分环节PI调节以及低通滤波LPS滤除高频纹波。接着再与直流母线电压U_dc相乘并再次低通滤波LPS得到第一功率参考值P_1ref。然后再经过电压功率下垂控制得到储能DAB下垂控制参考电压U_1ref。最后储能DAB下垂控制参考电压U_1ref与直流母线电压U_dc相减，再叠加一个补偿值δ_u，经过比例积分环节PI调节后与储能电池输出电流I_bat相减，相减所得差值依次经由比例积分环节PI和移相控制得到储能双有源桥变换器的移相角。双有源桥变换器采用单移相控制，其原边开关管由所述储能双有源桥变换器的移相角控制，副边开关管加一个与原边移相频率相同频率且固定相位的方波信号。

所述充电桩双有源桥变换器首先从直流母线流入充电桩双有源桥变换器的DAB电流I₂与第二电流参考值I_2ref相减得到的差值，再经过比例积分环节PI调节以及低通滤波LPS滤除高频纹波。接着再与直流母线电压U_dc相乘并再次低通滤波LPS得到第二功率参考值P_2ref。然后再经过电压功率下垂控制得到电动汽车DAB下垂控制参考值U_2ref。最后电动汽车DAB下垂控制参考值U_2ref与直流母线电压U_dc相减，再叠加一个补偿值δ_u，经过比例积分环节PI调节后与电动汽车电池输出电流I_ev相减，相减所得差值依次经由比例积分环节PI和移相控制得到充

电桩双有源桥变换器的移相角。双有源桥变换器采用单移相控制，其原边开关管由所述储能双有源桥变换器的移相角控制，副边开关管加一个与原边移相频率相同频率且固定相位的方波信号。

所述三相桥式变换器采用dq解耦的电压电流双闭环控制。

所述升压变换器采用最大功率点跟踪控制方式。

所述第一功率参考值P_1ref和第二电流参考值I_2ref由能量路由器充电桩的集中式控制器计算得出，该控制器采集直流母线电压U_dc、储能双有源桥变换器的DAB电流I₁、流入充电桩双有源桥变换器的DAB电流I₂、光伏出力P_pv和储能的当前电量SOC信号根据功率平衡原则计算出储能或电动汽车所需功率，然后用该功率除以直流母线额定电压。

有益效果：本发明储能双有源桥变换器和充电桩双有源桥变换器采用基于下垂的分布式控制与基于电流跟踪的集中式控制相结合的控制方法。在所述下垂控制里加入电流控制环节，从而能够通过精准的电流跟踪使得变换器能够传输容量允许范围内的任意功率大小，做到在工况切换时先将要切换的变换器与直流母线间传输的功率降为零再切入或切除，从而避免冲击，达到软切换的目的。此外，本专利所提控制策略充分发挥了下垂控制二次电压补偿的优势，再实现精准电流控制的同时，同时能够实现直流母线电压的稳定，并通过在二次电压补偿中加入惯性延迟环节避免了系统启动或者脉冲扰动等情况时的电压过补充造成的系统不稳定现象。

附图说明

图1是本发明能源互联网路由器的拓扑结构图；

图2是本发明储能双有源桥变换器的控制流程图；

图3是本发明充电桩双有源桥变换器的控制流程图；

图4是下垂控制的二次电压补偿值计算流程图；

图5是本发明集中式控制器的结构示意图；

图6是光伏出力与直流母线电压图；

图7是电网侧C相电压与电流图；

图8是储能电流与电动汽车电流图；

图9是光伏出力与直流母线电压图；

图10是储能电流与电动汽车电流图；

图11是光伏出力与直流母线电压图；

图12是储能电流与电动汽车电流图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本实施例能量路由器充电桩采用四端口的拓扑结构，其中储能和充电桩均通过双有源桥变换器(DAB变换器)连接到直流母线1。而光伏通过升压变换器(boost变换器)连接到直流母线1。直流母线1再通过三相桥式变换器连接到电网。

三相桥式变换器采用传统的dq解耦的电压电流双闭环控制。三相桥式变换器是一种电压源型变换器(VSC)，因此电网侧按照单位功率因数运行。

光伏输出直流电压，通过升压变换器与直流母线1连接。升压变换器采用最大功率点跟踪控制方式(MPPT)，所述最大功率点跟踪控制是为充分利用太阳能，使光伏始终输出最大电功率的控制方法。升压变换器中的开关管T是低内阻的MOSFET功率管。升压变换器通过开关管T导通或关断来改变光伏发电系统的工作点，使得光伏输出电压V_pv始终跟踪光伏最大功率输出点对应的那个最大电压值，从而实现光伏最大功率输出。

储能通过双有源桥变换器与直流母线1连接，它的控制方法是将下垂控制与电流控制相结合。如图2所示，首先通过一个电流环控制，使得从直流母线1流入储能双有源桥变换器的DAB电流I₁跟踪给定的第一电流参考值I_1ref，从而实现对于储能与直流母线交换功率大小的控制。具体地，首先DAB电流I₁与第一电流参考值I_1ref相减得到的差值，再经过比例积分环节PI调节以及低通滤波LPS滤除高频纹波。接着再与直流母线电压U_dc相乘并再次低通滤波LPS得到第一功率参考值P_1ref。然后再经过电压功率下垂控制得到储能DAB下垂控制参考电压U_1ref。最后储能DAB下垂控制参考电压U_1ref与直流母线电压U_dc相减，再叠加一个补偿值δ_u，经过比例积分环节PI调节后与储能电池输出电流I_bat相减，相减所得差值依次经由比例积分环节PI和移相控制得到储能双有源桥变换器的移相角。双有源桥变换器采用单移相控制，其原边开关管由所述储能双有源桥变换器的移相角控制，副边开关管加一个与原边移相频率相同频率且固定相位的方波信号。如图2所示，在电压功率下垂控制的参考电压中还加入了补偿值δ_u，从而对直流母线电压U_dc进行二次电压补偿校正，避免因下垂控制的固有特性导致直流母线电压U_dc随功率变化而偏离额定值。图4给出了补偿值δ_u的计算过程，其中750V为所需控制的额定电压，其与直流母线电压U_dc相减后所得差值，经过比例积分环节PI控制后再加入一个惯性延迟时间常数为T_s的惯性延迟环节，从而避免了在启动以及微小脉冲等扰动时因δ_u的迅速变化而导致的系统不稳定以及直流母线电压的振荡。在稳态时，δ_u进行二次电压补偿，从而维持直流母线电压U_dc稳定在额定值。

充电桩双有源桥变换器采用了与储能双有源桥变换器相同的控制策略，如图3所示，首先从直流母线流入充电桩双有源桥变换器的DAB电流I₂与第二电流参考值I_2ref相减得到的差值，再经过比例积分环节PI调节以及低通滤波LPS滤除高频纹波。接着再与直流母线电压U_dc相乘并再次低通滤波LPS得到第二功率参考值P_2ref。然后再经过电压功率下垂控制得到电动汽车DAB下垂控制参考值U_2ref。最后电动汽车DAB下垂控制参考值U_2ref与直流母线电压U_dc相减，再叠加一个补偿值δ_u，经过比例积分环节PI调节后与电动汽车电池输出电流I_ev相减，相减所得差值依次经由比例积分环节PI和移相控制得到充电桩双有源桥变换器的移相角。双有源桥变换器采用单移相控制，其原边开关管由所述储能双有源桥变换器的移相角控制，副边开关管加一个与原边移相频率相同频率且固定相位的方波信号。如图3所示，在电压功率下垂控制的参考电压中还加入了补偿值δ_u，从而对直流母线电压U_dc进行二次电压补偿校正，避免因下垂控制的固有特性导致直流母线电压U_dc随功率变化而偏离额定值。图4给出了补偿值δ_u的计算过程，其中750V为所需控制的额定电压，其与直流母线电压U_dc相减后所得差值，经过比例积分环节PI控制后再加入一个惯性延迟时间常数为T_s的惯性延迟环节，从而避免了在启动以及微小脉冲等扰动时因δ_u的迅速变化而导致的系统不稳定以及直流母线电压的振荡。在稳态时，δ_u进行二次电压补偿，从而维持直流母线电压U_dc稳定在额定值。

本实施例整个采用集中式控制与分布式控制相结合的方式，其中直流母线的三相桥式变换器以及光伏的升压变换器都采用分布式控制，而储能及充电桩的双有源桥变换器采用基于下垂的分布式控制与基于电流跟踪的集中式控制相结合的控制方式。根据不同端口参加能量路由器以及能量流动的方向，能量路由器有十几种工况形式，可以是电网、储能、充电桩以及光伏的四端口能量路由，也可以是光伏、储能、充电桩三端口离网状态下的能量路由等。

如图5所示，能量路由器充电桩的集中式控制器基于上层能源互联网控制平台的调度指令工作于某一具体工况，其采集直流母线电压U_dc、储能双有源桥变换器的DAB电流I₁、流入充电桩双有源桥变换器的DAB电流I₂、光伏出力P_pv和储能的当前电量SOC信号根据功率平衡原则计算出储能或电动汽车所需功率，然后用该功率除以直流母线额定电压得出第一功率参考值P_1ref和第二电流参考值I_2ref，这种计算方法维持了系统内的功率平衡与电压稳定。当需要进行工况切换时，依靠储能以及充电桩双有源桥变换器精准的电流跟踪控制，将需要切除的并联变换器的出力快速下降到零之后再切除，或者将需要切入的并联变换器在出力为零时切入，再快速增加到所需出力，从而避免在工况切换过程中引起的电压、电流跳变，甚至造成系统不稳定，实现不同工况之间的软切换。由于此控制能够在控制电流(即功率)的同时实现直流母线电压控制，所以系统在任意工况下都有电压源的支撑，从而使直流母线电压保持稳定。至于光伏，则始终采用MPPT控制，最大化功率输出。并网电压源型三相桥式变换器(VSC)工作于稳压的功率传输模式，当光伏、储能、电动汽车三者之间实现能量平衡时，三相桥式变换器与电网之间传输的功率即为零，从而实现将光伏储能电动汽车充电桩软切除或软切入。而当要软切除或软切入储能或者电动汽车充电桩时，只需要将参考电流I_1ref和I_2ref设为零即可。最后，当某一变换器的传输功率在一定时间内一直为零时，则可以进一步闭锁此变换器的各个开关管，从而减小损耗。最终，可以实现上级调度任意工况的软切换，且系统能够自动均分光伏出力变化等扰动，使得不管在工况切换或者稳态运行过程中直流母线电压偏差都在0.5％以内。

下面给出具体切换工况的操作：

1、并网电压源型三相桥式变换器(VSC)从电网切除。在0.9秒前，储能、电动汽车和光伏均工作于放电状态，共同给电网馈电。图7给出电网C相电压与三相桥式变换器的逆变电流，电网侧此时C相电流与电压(对应的缩小20倍后的C相电压)相位刚好反向，三相桥式变换器工作于逆变受电状态，能量路由器充电桩可以对大电网起到很好的支撑作用，在需要时响应调度进行馈电。

在0.9秒时，调度指令要求进行工况切换，由并网模式变为离网模式，在能量路由器充电桩系统内实现能量平衡。在工况切换过程中，目标是由电动汽车的电池消纳光伏以及储能出力。此时让电动汽车的参考放电电流下降，从图7和8可以看出，电动汽车放电电流迅速下降直至小于0变成充电状态，三相桥式变换器的逆变电流也跟随快速下降。最终，电动汽车电池完全消纳光伏与储能出力，则三相桥式变换器与直流母线之间的传输功率为零。为了进一步减小不必要的损耗，在经过一个0.2秒的延迟控制后，将三相桥式变换器的全部开关管闭锁，这时可以看到三相桥式变换器的电流完全变为零，完成整个过程的工况切换。由图6直流母线电压曲线可以看出整个工况切换过程中直流母线电压波动非常小，是一个软切换的过程，验证了协调统一控制策略的有效性。

2、切除储能双有源桥变换器与直流母线1连接。在前一工况，储能工作于离网状态，其与光伏一同给电动汽车充电，三个端口均参与离网状态下的能量路由。在0.9秒时，能源互联网控制平台检测到光伏出力迅速增加，于是做出工况切换指令切除储能，令电动汽车完全消纳光伏出力。如图10所示，这时让储能的放电电流快速下降，多余的能量由电动汽车完全消纳。在1.1秒时，储能的放电电流下降到零，同样经过预设的0.2秒延迟后，将储能双有源桥变换器的开关管闭锁，完全切除储能。储能出力为零后，光伏出力继续增加直到1.2秒，这时光伏出力完全由电动汽车消纳，系统很快进入稳态。同样，从图9可以看出，在整个工况切换过程中，直流母线电压几乎没有波动，实现了三端口能量路由到二端口工况稳定地软切换。

3、切除充电桩双有源桥变换器与直流母线1连接。在前一工况，储能工作于离网状态，其与光伏出力一同给电动汽车进行充电，整个系统工作于离网状态下的三端口能量路由。在0.9秒时，能源互联网控制平台检测到电动汽车不再需要充电，需要将充电桩切除。于是调度储能，使其放电电流迅速下降，直到变为充电模式完全消纳光伏出力为止。如图12所示，在整个过程中，电动汽车电池吸收的功率迅速减小，直至充电参考电流为零，这时电动汽车与直流母线之间基本没有能量交换。再经过0.2秒的延迟之后，将充电桩双有源桥变换器切除，完成整个工况的软切换，系统由三端口能量路由转变为光伏与储能之间的二端口能量路由。在整个工况切换过程中，光伏出力与直流母线电压波形如图11所示，可以看出，光伏出力在整个工况切换过程中保持不变，直流母线电压也基本维持不变。

Claims (6)

1.一种能量路由器充电桩统一协调控制方法，包括与直流母线连接的储能双有源桥变换器、充电桩双有源桥变换器以及升压变压器，所述直流母线同时与电网连接，其特征在于：储能双有源桥变换器和充电桩双有源桥变换器采用基于下垂的分布式控制与基于电流跟踪的集中式控制相结合的控制方法。

2.根据权利要求1所述的能量路由器充电桩统一协调控制方法，其特征在于，所述储能双有源桥变换器首先DAB电流I₁与第一电流参考值I_1ref相减得到的差值，再经过比例积分环节PI调节以及低通滤波LPS滤除高频纹波。接着再与直流母线电压U_dc相乘并再次低通滤波LPS得到第一功率参考值P_1ref。然后再经过电压功率下垂控制得到储能DAB下垂控制参考电压U_1ref。最后储能DAB下垂控制参考电压U_1ref与直流母线电压U_dc相减，再叠加一个补偿值δ_u，经过比例积分环节PI调节后与储能电池输出电流I_bat相减，相减所得差值依次经由比例积分环节PI和移相控制得到储能双有源桥变换器的移相角。双有源桥变换器采用单移相控制，其原边开关管由所述储能双有源桥变换器的移相角控制，副边开关管加一个与原边移相频率相同频率且固定相位的方波信号。

3.根据权利要求1所述的能量路由器充电桩统一协调控制方法，其特征在于，所述充电桩双有源桥变换器首先从直流母线流入充电桩双有源桥变换器的DAB电流I₂与第二电流参考值I_2ref相减得到的差值，再经过比例积分环节PI调节以及低通滤波LPS滤除高频纹波。接着再与直流母线电压U_dc相乘并再次低通滤波LPS得到第二功率参考值P_2ref。然后再经过电压功率下垂控制得到电动汽车DAB下垂控制参考值U_2ref。最后电动汽车DAB下垂控制参考值U_2ref与直流母线电压U_dc相减，再叠加一个补偿值δ_u，经过比例积分环节PI调节后与电动汽车电池输出电流I_ev相减，相减所得差值依次经由比例积分环节PI和移相控制得到充电桩双有源桥变换器的移相角。双有源桥变换器采用单移相控制，其原边开关管由所述储能双有源桥变换器的移相角控制，副边开关管加一个与原边移相频率相同频率且固定相位的方波信号。

4.根据权利要求1所述的能量路由器充电桩统一协调控制方法，其特征在于，所述三相桥式变换器采用dq解耦的电压电流双闭环控制。

5.根据权利要求1所述的能量路由器充电桩统一协调控制方法，其特征在于，所述升压变换器采用最大功率点跟踪控制方式。

6.根据权利要求2或3所述的能量路由器充电桩统一协调控制方法，其特征在于，所述第一功率参考值P_1ref和第二电流参考值I_2ref由能量路由器充电桩的集中式控制器计算得出，该控制器采集直流母线电压U_dc、储能双有源桥变换器的DAB电流I₁、流入充电桩双有源桥变换器的DAB电流I₂、光伏出力P_pv和储能的当前电量SOC信号根据功率平衡原则计算出储能或电动汽车所需功率，然后用该功率除以直流母线额定电压。