本發(fā)明屬于電動汽車技術(shù)領(lǐng)域，以及電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行與控制，具體涉及一種考慮電網(wǎng)頻率運(yùn)行穩(wěn)定性和電力電子器件慣量缺失問題的基于v2g(vehicletogrid)技術(shù)的電動汽車參與電網(wǎng)調(diào)頻控制方法。

背景技術(shù)：

全球性的能源危機(jī)和環(huán)境污染推動了世界各國電動汽車行業(yè)的發(fā)展。電動汽車數(shù)量不斷增長，為電力系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展帶來巨大挑戰(zhàn)和機(jī)遇。一方面大量的電動汽車作為新的負(fù)荷接入電網(wǎng)集中充電，如果不加以管理和引導(dǎo)，會造成電網(wǎng)用電高峰增加，電網(wǎng)負(fù)荷過重，加大電網(wǎng)調(diào)峰難度，為電網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)帶來巨大壓力。另一方面，當(dāng)前電力系統(tǒng)大力發(fā)展新能源發(fā)電，其具有強(qiáng)烈的間歇性和隨機(jī)性，發(fā)電量受自然環(huán)境影響較為嚴(yán)重。電動汽車作為移動儲能設(shè)備可以作為系統(tǒng)備用容量，基于v2g技術(shù)實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)之間的能量交互，可以為電網(wǎng)提供一定的輔助服務(wù)，促進(jìn)新能源消納并且增強(qiáng)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)車網(wǎng)融合(gridintegratedvehicle，giv)。

隨著以風(fēng)電、光伏為主的可再生能源以及電動汽車的發(fā)展和使用，電力電子設(shè)備應(yīng)用逐漸增多，電網(wǎng)中旋轉(zhuǎn)備用容量以及轉(zhuǎn)動慣量相對減少，對電網(wǎng)穩(wěn)定性造成一定的影響。為了有效應(yīng)對這一問題，必須基于v2g技術(shù)對具體的電動汽車充放電控制策略進(jìn)行改進(jìn)，在滿足用戶充電需求的同時(shí)為電網(wǎng)提供慣量、頻率支撐。目前有學(xué)者對電動汽車充電控制策略進(jìn)行改進(jìn)，將虛擬同步機(jī)(virtualsynchronousmachine，vsm)技術(shù)用于雙向變流器控制，使得電動汽車具有與同步電機(jī)相同的有一次調(diào)頻外特性，自主參與電網(wǎng)頻率和電壓調(diào)節(jié)，同時(shí)具有同步電機(jī)所特有的慣量特性，克服大規(guī)模電動汽車接入電力系統(tǒng)所帶來的慣量缺失等問題。但是目前大部分控制策略只是將電動動力電池看成一個(gè)簡單負(fù)載，并沒有考慮動力電池實(shí)際充、放電過程以及其使用壽命問題；此外沒有考慮加入二次調(diào)頻功能，無法實(shí)現(xiàn)頻率的無差調(diào)節(jié)。也有少量學(xué)者提出基于v2g技術(shù)的電動汽車參與電網(wǎng)二次調(diào)頻的控制策略，但是其調(diào)頻的實(shí)現(xiàn)需要借助于通信系統(tǒng)，并且需要中間代理商的參與，增加了信息傳遞鏈的長度和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，一定程度上造成了信息交互延時(shí)和成本的增加。因此本發(fā)明旨在基于v2g技術(shù)開發(fā)一種有效的電動汽車充放電控制方法，實(shí)現(xiàn)滿足用戶充電需求的基礎(chǔ)上為電網(wǎng)提供頻率、慣量、電壓支撐的目標(biāo)，在無通信和中間代理商的情況下實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率無差調(diào)節(jié)，將在很大程度上保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在基于v2g技術(shù)開發(fā)一種有效的電動汽車充放電控制方法，在滿足用戶充電需求的基礎(chǔ)上為電網(wǎng)提供頻率、慣量、電壓支撐的目標(biāo)，在無通信和中間代理商的情況下實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率無差調(diào)節(jié)，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，針對電動汽車大量入網(wǎng)以及大規(guī)模電力電子器件應(yīng)用造成電力系統(tǒng)慣性缺失、頻率不穩(wěn)定的問題，結(jié)合現(xiàn)階段先進(jìn)的虛擬同步機(jī)控制算法，實(shí)現(xiàn)電動汽車參與電網(wǎng)調(diào)頻的功能，包括一次調(diào)頻以及無通信情況下二次調(diào)頻。

為了解決上述問題，本發(fā)明提出一種應(yīng)用虛擬同步機(jī)技術(shù)并具有v2g功能的電動汽車雙向充放電控制方法，具有一次調(diào)頻、以及無通信情況下二次調(diào)頻功能。上述控制方法采用的充放電電路為兩級變換器電路，包括有pwm整流電路及配套lc濾波器和buck-boost變換電路，兩電路通過直流母線電容進(jìn)行連接。其中pwm整流電路將電網(wǎng)電壓整流為700v直流電壓，并且交流側(cè)通過lc濾波器濾除諧波，經(jīng)過網(wǎng)側(cè)電感與電網(wǎng)相連；buck-boost變換電路將700v直流電壓轉(zhuǎn)化為60v直流電壓，并直接和電動汽車相連。

與雙向充放電機(jī)主電路相對應(yīng)，本控制方法可以分為兩大模塊：ac/dc控制模塊和dc/dc控制模塊，所述ac/dc控制模塊負(fù)責(zé)控制直流母線電壓維持在700v恒定值，并引入虛擬慣量、阻尼，對dc/dc功率變換做出準(zhǔn)確響應(yīng)；所述dc/dc控制模塊對電動汽車動力電池進(jìn)行恒壓、恒流或恒功率充、放電控制，其充、放電模式根據(jù)電池狀態(tài)進(jìn)行靈活切換。同時(shí)將調(diào)頻控制模塊嵌入到dc/dc控制模塊中，通過調(diào)頻控制模塊給出動力電池的充放電功率參考值，由變流器做出響應(yīng)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率的一次、二次調(diào)節(jié)。

所述ac/dc控制模塊采用虛擬同步機(jī)控制技術(shù)，其包括有三個(gè)子模塊：慣性阻尼模塊、功率計(jì)算模塊、無功-電壓控制模塊。

所述慣性阻尼模塊根據(jù)同步電機(jī)運(yùn)動方程進(jìn)行設(shè)計(jì)，j為虛擬慣量，te為電磁轉(zhuǎn)矩，tm為機(jī)械轉(zhuǎn)矩，kd為阻尼系數(shù)；將電磁轉(zhuǎn)矩與機(jī)械轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩做差后與慣性常數(shù)做比，并且經(jīng)過積分環(huán)節(jié)，可以得到虛擬同步機(jī)的虛擬角速度ω，將虛擬角速度進(jìn)行積分得到虛擬同步機(jī)交流側(cè)電壓的虛擬相位θ。機(jī)械轉(zhuǎn)矩由直流母線電壓pi調(diào)節(jié)器輸出：其中kp和ki分別為pi控制器的比例和積分系數(shù)，vdc*為直流母線的電壓參考值(700v)，vdc為直流母線電壓的實(shí)際值，通過直流母線電壓控制環(huán)實(shí)現(xiàn)對后級dc/dc功率需求的響應(yīng)，為虛擬同步機(jī)控制提供功率參考值。

所述功率計(jì)算模塊主要作用是計(jì)算同步變流器交流側(cè)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩、無功功率以及交流側(cè)輸出三相電壓，計(jì)算公式如下：

e＝mfifωsinθ

te＝mfif<i,sinθ>

q＝-mfifω<i,cosθ>

其中：<·,·>表示點(diǎn)積運(yùn)算，e＝[ea，eb，ec]^t為虛擬同步機(jī)電動勢，mf為虛擬同步機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間的互感，if為虛擬勵(lì)磁電流，θ為虛擬同步機(jī)功角，i＝[ia，ib，ic]^t為虛擬同步機(jī)輸入電流，q為虛擬同步機(jī)無功輸出。

所述無功-電壓控制模塊采用改進(jìn)的無功下垂控制，當(dāng)交流側(cè)電壓幅值與其參考值存在誤差時(shí)，即δv＝vn-v≠0，改變虛擬同步機(jī)發(fā)出/吸收的無功量，計(jì)算vn為參考電壓幅值，v為實(shí)際電壓幅值，δq為無功變化量，kq、kqi為比例、積分系數(shù)。將無功參考值qset與δq的和與實(shí)際無功值做差并通過增益為1/k的積分環(huán)節(jié)計(jì)算得到虛擬同步機(jī)虛擬勵(lì)磁mfif，調(diào)節(jié)交流側(cè)電壓。

所述dc/dc控制模塊包含有兩個(gè)子模塊：變流器控制子模塊和調(diào)頻控制子模塊。

所述變流器控制子模塊有三種控制方式：恒壓充電、恒流充電以及恒功率充電，當(dāng)正常充電時(shí)，三種控制方式根據(jù)電動汽車的電池狀態(tài)進(jìn)行靈活切換：如果電池處于低電量狀態(tài)則采用恒功率充電使得電池電量快速上升，當(dāng)充電電流達(dá)到指定值時(shí)切換為恒流充電模式，此時(shí)電池電壓不斷上升，當(dāng)電池電壓達(dá)到指定值時(shí)切換為恒壓充電。此外，本發(fā)明中dc/dc變流器控制較為靈活，當(dāng)處于正常充電狀態(tài)時(shí)還可以采用負(fù)脈沖控制等先進(jìn)控制方法。當(dāng)電動汽車允許參與電網(wǎng)調(diào)頻時(shí)，dc/dc部分采用恒功率控制方式，有效跟蹤調(diào)頻控制子模塊給出的功率參考值。

所述調(diào)頻控制子模塊分為一次調(diào)頻和二次調(diào)頻兩部分。

所述一次調(diào)頻采用下垂控制策略，當(dāng)電網(wǎng)頻率下降時(shí)減少充電功率或提高放電功率，當(dāng)電網(wǎng)頻率上升時(shí)減小放電功率或提高充電功率。下垂控制環(huán)中在頻率差計(jì)算之后加入死區(qū)環(huán)節(jié)，當(dāng)電網(wǎng)頻率偏差大于死區(qū)值，即|fn-f|>fdeath時(shí)，令δf＝f-fn，δp1＝kpfδf，其中fn為頻率額定值，f為頻率實(shí)際值，δf為頻率差，fdeath為一次調(diào)頻響應(yīng)死區(qū)值，kpf為下垂系數(shù)，δp1為一次調(diào)頻環(huán)節(jié)輸出的功率變化值，正值表示充電功率增加，負(fù)值表示充電功率降低。通過δp1改變電動汽車的充放電功率，使得電網(wǎng)頻率穩(wěn)定到一定值。當(dāng)頻率波動范圍處于很小的范圍內(nèi)時(shí)，一次調(diào)頻控制環(huán)節(jié)不發(fā)揮作用，防止電池由于小頻率擾動而充放電狀態(tài)頻繁變化造成電池使用壽命縮短的問題。

所述二次調(diào)頻控制主要根據(jù)一次調(diào)頻達(dá)到穩(wěn)定之后的電網(wǎng)頻率偏差，對電動汽車“功率指令修正量”進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)一步調(diào)整電動汽車的充放電功率參考值。由于二次調(diào)頻是在一次調(diào)頻的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此本發(fā)明中二次調(diào)頻相比于一次調(diào)頻周期較長。

根據(jù)包含電動汽車的有功功率-頻率運(yùn)行曲線以及電網(wǎng)有功功率-頻率運(yùn)行曲線，當(dāng)由于電網(wǎng)發(fā)電功率突降或者沖擊性、間歇性負(fù)荷突然增/降造成頻率大幅度變化且超出正常頻率允許波動范圍(0.2hz)時(shí)，即當(dāng)|fn-f|>0.2hz，計(jì)算電動汽車“功率參考修正量”δp2，改變電動汽車的充放電功率參考值，使得電動汽車的有功-頻率運(yùn)行曲線發(fā)生平移，將電網(wǎng)頻率控制在允許的誤差范圍內(nèi)，經(jīng)過二次調(diào)頻之后電網(wǎng)頻率穩(wěn)定在f’，f’的選擇原則為保證動力電池在之后一次調(diào)頻的過程中不超出可調(diào)功率限制，要求頻率特性曲線移動條件為：也就是說運(yùn)行在最小頻率時(shí)，電動汽車功率剛好達(dá)到放電最大值。此時(shí)對應(yīng)的負(fù)荷運(yùn)行曲線與發(fā)電機(jī)運(yùn)行曲線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)為f’的最大邊界值，記此處頻率為f’max，f’的選擇應(yīng)該滿足在區(qū)間[fmin,fmax]與[fmin,f’max]內(nèi)。當(dāng)f’max<fn時(shí)，選擇f’＝f’max，當(dāng)f’max>fn時(shí)，可以選擇f’＝fn。因此選擇f’的原則為：

本發(fā)明將電動汽車看成特殊的負(fù)荷，考慮系統(tǒng)中其他傳統(tǒng)負(fù)荷以及電動汽車有功功率-頻率運(yùn)行特性，電動汽車功率指令修正量為：

當(dāng)f'∈[fmin,fn-fdeath]時(shí)，

δp2＝(kpf+kg+kl)(f-f')

當(dāng)f'∈[fn-fdeath,fn+fdeath]時(shí)，

δp2＝kg(f-f')+(kpf+kl)(f-fn+fdeath)

+kl(fn-fdeath-f')

當(dāng)f'∈[fn+fdeath,fmax]時(shí)，

δp2＝kg(f-f')+2klfdeath

+(kl+kpf)(f-f'+2fdeath)

式中f’death為一次調(diào)頻響應(yīng)死區(qū)值，kg為發(fā)電機(jī)的功率調(diào)節(jié)率，kl為系統(tǒng)中常規(guī)負(fù)荷功率調(diào)節(jié)率，kpf為電動汽車下垂系數(shù)。為了將頻率準(zhǔn)確控制在f'，本發(fā)明以δp2'作為δp2的補(bǔ)償量，相當(dāng)于二次調(diào)頻進(jìn)行了兩級調(diào)節(jié)，δp2'在δp2調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的微調(diào)。將f'與實(shí)際測量頻率做差，經(jīng)過積分控制器得到“修正補(bǔ)償量”δp2'，因此，調(diào)整后的充放電功率指令為：p'set＝pset+δp2+δp2'。

由于二次調(diào)頻是在一次調(diào)頻的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對充、放電功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，二次調(diào)頻相比于一次調(diào)頻周期較長，在每個(gè)二次調(diào)頻周期中對功率指令修正量進(jìn)行多次計(jì)算，最后取平均值作為電動汽車功率參考修正量。

上述二次調(diào)頻環(huán)節(jié)通過改變電動汽車電池充放電功率來響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化，并將頻率控制在誤差允許范圍內(nèi)，調(diào)頻改變充放電功率的同時(shí)考慮電動汽車充放電功率上下限，當(dāng)充放電功率超出電動汽車合理范圍時(shí)按照邊界功率進(jìn)行充放電。

本發(fā)明的效果，通過本發(fā)明可以促進(jìn)未來大規(guī)模電動汽車作為移動儲能設(shè)備保障電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性。為電網(wǎng)提供慣性支撐、頻率支撐以及功率支撐，同時(shí)還考慮了動力電池的使用壽命等問題，基于v2g技術(shù)實(shí)現(xiàn)電動汽車的充放電控制。前級ac/dc控制策略采用虛擬同步機(jī)控制策略，引入虛擬慣量和阻尼環(huán)節(jié)，克服了電力電子器件響應(yīng)過快，慣性缺失的問題，為電網(wǎng)提供慣量支撐；引入無功下垂控制，為電網(wǎng)提供無功支撐。后級dc/dc控制方法中既考慮了動力電池的使用壽命問題，根據(jù)動力電池的運(yùn)行狀態(tài)對充放電模式進(jìn)行選擇，同時(shí)引入一次調(diào)頻和二次調(diào)頻控制，根據(jù)電網(wǎng)的頻率對電動汽車的充放電狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，將電網(wǎng)的頻率控制在允許的誤差范圍內(nèi)，也可以實(shí)現(xiàn)頻率的無差控制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明采用的硬件功率電路圖。

圖2為本發(fā)明使用的ac/dc控制模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明使用的dc/dc控制模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖4為電動汽車的有功功率-頻率運(yùn)行特性曲線圖。

圖5為發(fā)電機(jī)有功-頻率運(yùn)行曲線圖。

圖6為功率參考修正量補(bǔ)償環(huán)圖。

圖7為基于matlab/simulink仿真平臺搭建圖。

圖8為仿真系統(tǒng)中電網(wǎng)頻率以及系統(tǒng)與聯(lián)絡(luò)線中功率流動曲線圖。

圖9為動力電池充放電功率曲線圖。

圖10為動力電池soc狀態(tài)以及充電流電壓曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明針對電動汽車大量入網(wǎng)以及大規(guī)模電力電子器件應(yīng)用造成電網(wǎng)中慣性缺失，運(yùn)行頻率不穩(wěn)定的問題，提供一種基于v2g技術(shù)的電動汽車雙向充放電參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的控制方法，可以為電網(wǎng)提供慣性、頻率支撐，實(shí)現(xiàn)頻率無差調(diào)節(jié)。

本發(fā)明采用的硬件功率電路如圖1所示，兩級功率變換電路包含前級pwm整流電路以及配套lc濾波器和buck-boost直流變換電路，兩電路通過直流母線電容進(jìn)行連接。其中pwm整流電路將電網(wǎng)電壓整流為700v直流電壓，并且交流側(cè)通過lc濾波器濾除諧波，經(jīng)過網(wǎng)側(cè)電感與電網(wǎng)相連；所述buck-boost變換電路將700v直流電壓轉(zhuǎn)化為60v直流電壓，并直接和電動汽車相連。

本發(fā)明主要包括兩個(gè)模塊：如圖2所示的ac/dc控制模塊和如圖3所示的dc/dc控制模塊，其中dc/dc控制模塊又可以分為兩大部分：調(diào)頻控制部分和變流器充電模式控制部分。調(diào)頻控制分為一次調(diào)頻和二次調(diào)頻，一次調(diào)頻通過下垂控制實(shí)現(xiàn)，但是考慮到動力電池使用壽命，計(jì)算頻率差之后經(jīng)過一個(gè)死區(qū)環(huán)節(jié)，只有當(dāng)頻率差超過死區(qū)設(shè)定值的時(shí)候下垂控制才會起調(diào)節(jié)作用，圖4為電動汽車的有功功率-頻率運(yùn)行特性曲線。圖5所示為將電動汽車作為特殊負(fù)荷的系統(tǒng)負(fù)荷以及發(fā)電機(jī)有功-頻率運(yùn)行曲線，二次調(diào)頻根據(jù)該曲線計(jì)算功率參考修正量來修改電動汽車的充電功率參考值實(shí)現(xiàn)。ac/dc控制模塊控制直流母線電壓維持在700v恒定值，將交流側(cè)電壓控制在參考值，并將虛擬慣量引入控制中，對dc/dc處功率變換做出響應(yīng)；dc/dc控制部分對電動汽車動力電池進(jìn)行恒壓、恒流或恒功率控制，其充電模式根據(jù)電池狀態(tài)進(jìn)行切換。

所述ac/dc控制模塊采用虛擬同步機(jī)控制技術(shù)，其包括有三個(gè)子模塊：慣性、阻尼模塊，功率計(jì)算模塊，無功-電壓控制模塊。

上述慣性阻尼模塊根據(jù)同步電機(jī)運(yùn)動方程進(jìn)行設(shè)計(jì)，j為虛擬慣量，te為電磁轉(zhuǎn)矩，tm為機(jī)械轉(zhuǎn)矩，kd為阻尼系數(shù)；將電磁轉(zhuǎn)矩與機(jī)械轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩做差后與慣性常數(shù)做比，并且經(jīng)過積分環(huán)節(jié)，可以得到虛擬同步機(jī)的虛擬角速度ω，將虛擬角速度進(jìn)行積分得到虛擬同步機(jī)交流側(cè)電壓的虛擬相位θ。機(jī)械轉(zhuǎn)矩由直流母線電壓pi調(diào)節(jié)器輸出：其中kp和ki分別為pi控制器的比例和積分系數(shù)，vdc*為直流母線的電壓參考值(700v)，vdc為直流母線電壓的實(shí)際值，通過直流母線電壓控制環(huán)實(shí)現(xiàn)對后級dc/dc功率需求的響應(yīng)，為虛擬同步機(jī)控制提供功率參考值。

功率計(jì)算模塊主要作用是計(jì)算同步變流器交流側(cè)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩、無功功率以及交流側(cè)輸出三相電壓，計(jì)算公式如下：

e＝mfifωsinθ

te＝mfif<i,sinθ>

q＝-mfifω<i,cosθ>

其中：<·,·>表示點(diǎn)積運(yùn)算，e＝[ea，eb，ec]^t為虛擬同步機(jī)電動勢，mf為虛擬同步機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間的互感，if為虛擬勵(lì)磁電流，θ為虛擬同步機(jī)功角，i＝[ia，ib，ic]^t為虛擬同步機(jī)輸入電流，q為虛擬同步機(jī)無功輸出。

無功-電壓控制模塊模采用改進(jìn)的無功下垂控制，當(dāng)交流側(cè)電壓幅值與其參考值存在誤差時(shí)，即δv＝vn-v≠0，改變虛擬同步機(jī)發(fā)出/吸收的無功量，計(jì)算vn為參考電壓幅值，v為實(shí)際電壓幅值，δq為無功變化量，kq、kqi比例、積分系數(shù)。將無功參考值qset與δq的和與實(shí)際無功值做差并通過積分環(huán)節(jié)計(jì)算得到虛擬同步機(jī)虛擬勵(lì)磁mfif，調(diào)節(jié)交流側(cè)電壓。

dc/dc控制模塊包含有兩個(gè)子模塊：變流器控制子模塊和調(diào)頻控制子模塊。

變流器字控制模塊有三種控制方式：恒壓、恒流以及恒功率控制，當(dāng)正常充電時(shí)，三種控制方式根據(jù)電動汽車的電池狀態(tài)進(jìn)行靈活切換：如果電池處于低電量狀態(tài)則采用恒功率充電使得電池電量快速上升，當(dāng)充電電流達(dá)到指定值時(shí)切換為恒流充電模式，此時(shí)電池電壓不斷上升，當(dāng)電池電壓達(dá)到指定值時(shí)切換為恒壓充電。此外，本發(fā)明中dc/dc變流器控制較為靈活，當(dāng)處于正常充電狀態(tài)時(shí)還可以采用負(fù)脈沖控制等先進(jìn)控制方法。當(dāng)電動汽車允許參與電網(wǎng)調(diào)頻時(shí)，dc/dc部分采用恒功率控制方式，有效跟蹤調(diào)頻控制子模塊給出的功率參考值。

調(diào)頻控制模塊分為一次調(diào)頻和二次調(diào)頻，一次調(diào)頻采用下垂控制策略，當(dāng)電網(wǎng)頻率下降時(shí)減少充電功率或提高放電功率，當(dāng)電網(wǎng)頻率上升時(shí)減小放電功率或提高充電功率。下垂控制環(huán)中在頻率差計(jì)算之后加入死區(qū)環(huán)節(jié)，當(dāng)電網(wǎng)頻率偏差大于死區(qū)值，即|fn-f|>fdeath時(shí)，令δf＝f-fn，δp1＝kpfδf，其中fn為頻率額定值，f為頻率實(shí)際值，δf為頻率差，fdeath為一次調(diào)頻響應(yīng)死區(qū)值，kpf為下垂系數(shù)，δp1為一次調(diào)頻環(huán)節(jié)輸出的功率變化值，正值表示充電功率增加，負(fù)值表示充電功率降低。通過δp1改變電動汽車的充放電功率，使得電網(wǎng)頻率穩(wěn)定到一定值。當(dāng)頻率波動范圍處于很小的范圍內(nèi)時(shí)，一次調(diào)頻控制環(huán)節(jié)不發(fā)揮作用，防止電池由于小頻率擾動而充放電狀態(tài)頻繁變化造成電池使用壽命縮短的問題。

二次調(diào)頻控制主要根據(jù)一次調(diào)頻達(dá)到穩(wěn)定之后的電網(wǎng)頻率變化，對電動汽車“功率參考修正量”進(jìn)行計(jì)算，并改變電動汽車的充放電功率參考值。由于二次調(diào)頻是在一次調(diào)頻的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)節(jié)，二次調(diào)頻相比于一次調(diào)頻周期較長，本發(fā)明中設(shè)置二次調(diào)頻周期為一次調(diào)頻控制周期的20倍，在每個(gè)控制周期中對二次調(diào)頻功率參考修正量進(jìn)行20次計(jì)算，最后取平均值作為電動汽車功率參考修正量。

電動汽車有功功率-頻率運(yùn)行曲線如圖4所示，此處將電動汽車作為一種特殊負(fù)載，當(dāng)其功率為負(fù)時(shí)表示處于放電工作狀態(tài)，其中當(dāng)頻率處于死區(qū)區(qū)間[fn-fdeath，fn+fdeath]時(shí)充放電功率不發(fā)生變化，且受到電池本身限制，其充放電功率存在限制，當(dāng)頻率超出上述死區(qū)區(qū)間時(shí)表現(xiàn)下垂特性。當(dāng)系統(tǒng)中存在有傳統(tǒng)負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)的負(fù)荷有功功率-頻率運(yùn)行曲線如圖5所示，由額定頻率fn向兩邊延伸，曲線斜率先變大后邊小，是由于死區(qū)區(qū)間內(nèi)電動汽車不表現(xiàn)下垂特性，且當(dāng)電動汽車達(dá)到功率限值時(shí)斜率變小。

根據(jù)包含電動汽車的有功功率-頻率運(yùn)行曲線以及電網(wǎng)有功功率-頻率運(yùn)行曲線，當(dāng)由于電網(wǎng)發(fā)電功率突降或者沖擊性、間歇性負(fù)荷突然增/降造成頻率大幅度變化且超出正常頻率允許波動范圍(0.2hz)時(shí)，即當(dāng)|fn-f|>0.2hz，計(jì)算電動汽車“功率參考修正量”δp2，改變電動汽車的充放電功率參考值，使得電動汽車的有功-頻率運(yùn)行曲線發(fā)生平移，將電網(wǎng)頻率控制在允許的誤差范圍內(nèi)，經(jīng)過二次調(diào)頻之后電網(wǎng)頻率穩(wěn)定在f’，f’的選擇原則為保證動力電池在之后一次調(diào)頻的過程中不超出可調(diào)功率限制，要求頻率特性曲線移動條件為：也就是說運(yùn)行在最小頻率時(shí)，電動汽車功率剛好達(dá)到放電最大值，如圖5所示。此時(shí)對應(yīng)的負(fù)荷運(yùn)行曲線與發(fā)電機(jī)運(yùn)行曲線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)為f’的最大邊界值，記此處頻率為f’max，f’的選擇應(yīng)該滿足在區(qū)間[fmin,fmax]與[fmin,f’max]內(nèi)。當(dāng)f’max<fn時(shí)，選擇f’＝f’max，當(dāng)f’max>fn時(shí)，可以選擇f’＝fn。因此選擇f’的原則為：

圖5中，電動汽車最初穩(wěn)定運(yùn)行在a點(diǎn)正常充電，某一時(shí)刻電網(wǎng)發(fā)電功率突降，發(fā)電運(yùn)行曲線由pg1降到pg2，此時(shí)電動汽車運(yùn)行穩(wěn)定點(diǎn)將由a點(diǎn)向b點(diǎn)移動，此時(shí)頻率誤差超出允許最大范圍，選擇f'作為最終運(yùn)行頻率。電動汽車功率設(shè)定值變化量為：

當(dāng)f'∈[fmin,fn-fdeath]時(shí)，

δp2＝(kpf+kg+kl)(f-f')

當(dāng)f'∈[fn-fdeath,fn+fdeath]時(shí)，

δp2＝kg(f-f')+(kpf+kl)(f-fn+fdeath)

+kl(fn-fdeath-f')

當(dāng)f'∈[fn+fdeath,fmax]時(shí)，

δp2＝kg(f-f')+2klfdeath

+(kl+kpf)(f-f'+2fdeath)

其中，kg為發(fā)電機(jī)功率調(diào)節(jié)系數(shù)。同時(shí)由圖6中功率參考修正量補(bǔ)償環(huán)計(jì)算得出“修正補(bǔ)償量”δp2'，電動汽車新的充放電功率參考值為：p'set＝pset+δp2+δp2'，使得系統(tǒng)頻率能夠準(zhǔn)確穩(wěn)定在f'。判斷新的充放電功率參考值是否在電動汽車運(yùn)行的正常范圍內(nèi)，將新的參考值與充放電功率上下限進(jìn)行比較，并根據(jù)比較情況進(jìn)行調(diào)整。

基于matlab/simulink仿真平臺搭建圖7所示的系統(tǒng)模型，采用本發(fā)明型控制策略控制雙向充放電機(jī)，1s之前不加入二次調(diào)頻控制，設(shè)置一次調(diào)頻控制環(huán)節(jié)死區(qū)為±0.005hz。0.3s時(shí)系統(tǒng)1中加入負(fù)載4，1s時(shí)加入二次調(diào)頻控制環(huán)節(jié)，并且二次調(diào)頻控制動作死區(qū)值設(shè)為±0.02hz，設(shè)置動力電池最大充電功率為15kw，最大放電功率為10kw。圖8所示為仿真系統(tǒng)中電網(wǎng)頻率以及系統(tǒng)與聯(lián)絡(luò)線中功率流動曲線圖，圖9為動力電池充放電功率曲線圖(負(fù)值表示充電，正值表示放電)，圖10為動力電池soc狀態(tài)以及充電流電壓曲線圖(電流負(fù)值表示處于充電狀態(tài))。

0.3s時(shí)系統(tǒng)1負(fù)載增加，發(fā)電功率不足導(dǎo)致系統(tǒng)頻率下降，由于雙向充放電機(jī)控制中存在一次調(diào)頻控制環(huán)節(jié)，系統(tǒng)頻率緩慢穩(wěn)定到一定值，此過程中動力電池充電功率降低，充電電壓電流均有所下降，soc增長速度稍有放緩，最后充電功率穩(wěn)定在4.3kw左右。1s時(shí)加入二次調(diào)頻控制環(huán)節(jié)，二次調(diào)頻周期為一次調(diào)頻周期的20倍，取f'為49.98hz，由于系統(tǒng)此時(shí)頻率為49.96hz，超過了二次調(diào)頻控制動作死區(qū)設(shè)定值±0.02hz，二次調(diào)頻控制產(chǎn)生作用，系統(tǒng)頻率緩慢上升，且穩(wěn)定在±0.02hz誤差范圍內(nèi)，此過程中動力電池充電功率降低，充電電壓電流均有所下降，soc增長速度明顯放緩，最后充電功率穩(wěn)定在1.5kw左右。由上述仿真可知本發(fā)明可以有效的將電動汽車作為電力系統(tǒng)備用容量參與到電力系統(tǒng)調(diào)頻過程中，并且頻率變化過程存在一定的慣性，克服了電力電子器件動作過快的缺點(diǎn)，為電網(wǎng)提供慣量、頻率支撐。

本發(fā)明所提供的控制方法考慮了動力電池使用壽命、電網(wǎng)慣量缺失多方面問題，在滿足電動汽車用戶充電需求的同時(shí)為電網(wǎng)提供頻率、慣性、電壓支撐，可以在電動汽車可調(diào)用容量足夠的情況下實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率的無差調(diào)節(jié)。

以上對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)說明。顯然，本發(fā)明并不局限于所描述的內(nèi)容。基于本發(fā)明中的實(shí)施方式，熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員還可據(jù)此做出多種變化，但任何與本發(fā)明等同或相類似的變化都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。