基于平均仿真、等效輸入阻抗模型的新能源汽車充電控制系統(tǒng)

王少愚

（江漢大學智能制造學院，湖北 武漢 430056）

1 引言

新能源汽車相比傳統(tǒng)燃油汽車具有清潔、低噪聲的優(yōu)勢，但在接入電網(wǎng)充電站時則需要考慮高頻功率變換電路的電流、電壓供應負荷，在電網(wǎng)并入大容量充電站后的負荷調節(jié)成為新能源汽車充電控制關注的主要問題。針對新能源汽車充電動態(tài)電壓、電流調節(jié)控制要求，史永勝，李利[4]提出采用倍流整流電路、飽和諧振電感、增加二極管鉗位電路等方式，對主電路參數(shù)、輸出負載控制調節(jié)的方案；王林艷，岳秀梅[5]提出構造LC 電容型濾波網(wǎng)絡方式，調節(jié)DC/DC 移相全橋變換器的濾波電感為初級、降低次級二極管的電流變化，驗證汽車不同充電模態(tài)下的電壓增益；王耀[1]提出新能源汽車充電站分群、聚合建設方案，比較充電站恒壓、恒流充電模式的運行工況選擇更為合理的充電策略、功率負荷控制方式。

新能源汽車充電站的共直流母線結構，是利用固定的非車載充電機為汽車提供直流供電，充電過程中需用到的PWM整流器更少、充電速度更快，在汽車電能達到80%后充電站電流逐漸下降直至充電完成，由此可保證充電速度的同時延長電池使用壽命。對此，本文研究在新能源汽車大功率充電場景下的充電站模型建構，采用平均仿真、等效輸入阻抗模型進行充電站結構簡化與聚合，使用可變電阻負載輸入阻抗等效的方法，對汽車不同電池規(guī)格接入充電站的情況，使用忽略DC-DC變換器的模型分群聚合方案，采用“電壓下垂+無功功率”支持相結合方式進行充電站等值參數(shù)求取、動態(tài)充電電壓調節(jié)，完成充電功率的負荷控制，保證新能源汽車充電電壓、充電運行負荷功率的調節(jié)與控制質量。

2 新能源汽車充電的共直流母線結構模型

新能源汽車充電站主要利用地面上固定的充電機設備充電，該充電系統(tǒng)通過三相整流電路與大電網(wǎng)連接，通過前級高頻逆變電路、后級高頻變壓器和DC-DC 變換器與汽車電池連接，具體的充電站網(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示。[1]

圖1 新能源汽車充電站網(wǎng)絡拓撲結構

按照國家電網(wǎng)規(guī)定的快充樁規(guī)格，設置共直流母線充電的額定電壓為380V、最大電流為50A、最大輸出功率為19kW，但并非一直維持最大電流充電，而是在電池電能達到80%后逐漸降低充電電流直至電池滿電，整個快充充電時長約為2～3小時。其中三相PWM整流器用于整流電路內充電功率控制，采用多電平控制方式建立充電站前級AC-DC 模塊的等效電路模型（如圖2），設定電網(wǎng)三相電壓、整流器輸入電流/電壓建立電路微分方程如式1。

圖2 充電站前級AC-DC模塊的等效電路模型

其中va、vb、vc表示電網(wǎng)三相電壓，ia、ib、ic表示整流器輸入電流，ua、ub、uc表示整流器輸入電壓，rL、L分別表示整流電路電阻和電感。給定直流母線電壓參考值，有功(p)、無功(q)的電流ip和iq需要采用前饋解耦方式進行控制，使公式1的導數(shù)項為零、使用PI調節(jié)器將電網(wǎng)電壓合成為通用量，得到直流母線up、uq處的電壓控制方程為式2。

KPi表示有功(p)電流ip的比例系數(shù)、KIi表示無功(q)電流iq的積分系數(shù)，Ipref和Iqref分別表示有功(p)、無功(q)電流的指令值。若不考慮大電網(wǎng)電壓的波動情況，則在電網(wǎng)vd為定值時輸送的有功功率和無功功率，通常與輸送有功(p)、無功(q)電流成正比，表明通過控制ip，iq電流可完成整流器有功、無功功率的控制，更符合新能源汽車直流充電的實際工況。

3 基于平均仿真、等效輸入阻抗模型技術的汽車充電站結構模型簡化與聚合

3.1 基于平均仿真模型、等效輸入阻抗模型的汽車充電站結構簡化

由于新能源汽車充電站采用大功率快充模式，為不同規(guī)格的汽車電池提供充電服務，因而搭建的充電站結構模型中PWM 整流器、ZVS 移相全橋直流變換器均為全橋結構。若充電站內包含多個充電機，則充電站結構模型中也需要設置多個開關控制器件，這將影響新能源汽車充電電壓、電流的系統(tǒng)控制穩(wěn)定性，所以需要對充電站結構模型的部分構件進行簡化。[2]

采用平均模型的電壓源、電流源開關管替代開關控制器件，根據(jù)三相PWM 整流器的多個橋臂開關管交替導通的控制邏輯，設置等效三相PWM整流器橋臂的單刀雙擲開關，用sφp和sφq表示p、q通路的開關斷開與連通，且sφp+sφq=1。根據(jù)三相PWM 整流器的網(wǎng)絡拓撲結構、等效三相PWM 整流器橋臂的單刀雙擲開關結構（如圖3），可得出電網(wǎng)開關處輸入電壓vφ、PWM整流器輸入電流iφ的計算公式如式3。

圖3 等效三相PWM整流器橋臂的單刀雙擲開關結構

其中dφ表示開關控制器件占空比、Vdc表示直流母線電壓。對于PWM 整流器后級連接的DC-DC 變換器則采用等效輸入阻抗模型，用可變電阻負載替代電池負載、將DC-DC變換器等效為濾波器，使得電池充電功率與負載電阻值存在正相關關系，也即隨著充電過程中負載電阻值的變化而變化。[3]同時根據(jù)充電站多個直流變換器并聯(lián)的共直流母線結構，將可變電阻負載進行并聯(lián)以控制充電功率的變化，經(jīng)過平均仿真模型、等效輸入阻抗模型簡化后的汽車充電站結構如圖4所示。

3.2 基于等效輸入阻抗模型的新能源汽車充電站結構聚合

新能源汽車充電站內包含多臺充電機情況下，使用等效輸入阻抗模型對原有的充電站結構進行聚合。根據(jù)充電站內新能源汽車的不同電池規(guī)格，使用等效輸入阻抗模型設置等值整流器、DC-DC變換器的并聯(lián)結構，若充電接入的新能源汽車電池規(guī)格相同，則將等值整流器、DC-DC變換器聚合為一群，否則根據(jù)新能源汽車電池的不同規(guī)格進行分群聚合，具體的分群模型聚合結果如圖5所示。[4]

圖5 新能源汽車充電站分群聚合模型結構

從圖5 可以看出，整流器、DC-DC 變換器在分群等值前后，其共直流母線上的電壓、電流應遵循Ueq=U、Ieq=的原則，U和Ueq分別表示等值前后的共直流母線電壓值，Ii和Ieq分別表示等值前后的共直流母線電流值。此時整流器等值模型的阻抗參數(shù)為單個整流器阻抗參數(shù)的1/n，DC-DC變換器等值模型的電感參數(shù)為單個變換器電感參數(shù)的1/n，DC-DC變換器電容參數(shù)為單個變換器電容參數(shù)的n倍，變壓器電壓為單個變換器電壓的n倍，同一分群內具有相同規(guī)格電池的荷電狀態(tài)(SOC)計算公式如式4。

充電站分群聚合等值模型并網(wǎng)點流過的有功功率Peq、無功功率Qeq，通常為所有充電機充電功率、損耗功率之和，計算公式如式5。

4 新能源汽車充電站動態(tài)電壓、電流調節(jié)策略

在不同電池規(guī)格的新能源汽車大規(guī)模接入電網(wǎng)后，大電網(wǎng)本身負荷增加會導致配網(wǎng)電壓出現(xiàn)不穩(wěn)定波動問題，因而需要對變壓器、充電站整流器的有功/無功功率進行調節(jié)，以保證動態(tài)電壓的穩(wěn)定性。[5]當充電站處于較少新能源汽車接入時、配電網(wǎng)電壓為低負荷狀態(tài)，此時電網(wǎng)變壓器會產(chǎn)生不同程度的電感，流入充電站整流器的電流、電壓存在相位差，電能在變壓器中會建立磁場反向的無功功率，導致電壓抬升越限。

在充電站電壓降低程度較小時，如直流母線電壓標幺值(per unit)為0.97p.uU，則充電站不存在無功功率；若電壓標幺值下降至0.94～0.97p.uU 時，則針對變壓器、充電站整流器的過流限制范圍發(fā)出最大無功功率，對應的電路電壓變化、無功功率計算公式如式6。

kq表示無功功率功率的控制斜率，若無功功率較大時仍不能保證充電站母線電壓的提升，則需考慮控制大電網(wǎng)總電壓、減小充電站充電功率的方式，來提升充電站母線電壓。通常在母線電壓標幺值下降為0.95p.uU時，按照kq控制斜率削減充電站的充電功率，對應的計算公式如式7。

其中Ppre表示電壓標幺值下降為0.95p.uU前一時刻的充電功率，在電壓標幺值大于0.95p.uU并抬升至1.03p.uU時，貯存的磁場能量再返回至充電站電源，充電站將吸收返回的無功功率。此時將充電站內所有充電機的有功和無功功率，以及新能源汽車充電時的有功(p)電流、無功(q)電流設定在如下式8的控制范圍內。

其中S表示變壓器最大功率，ip和iq分別表示有功電流、無功電流。因此充電站內充電機的有功功率P、無功功率Q，可通過ip、iq的電流進行控制。根據(jù)充電站內汽車電池的充電功率需求，使用電壓源、電流源開關管PWM整流器在p、q通路的斷開與連通，合理調整控制系統(tǒng)電路的動態(tài)電壓、電流變化情況，以達到吸收或發(fā)出無功功率來控制充電功率的效果，具體的電壓環(huán)、電流環(huán)穩(wěn)態(tài)控制框圖如圖6所示。

圖6 充電站充電功率控制的電壓環(huán)、電流環(huán)穩(wěn)態(tài)框圖

圖7 基于簡化等值模型、聚合等值模型的并網(wǎng)電壓、電流、有功和無功功率變化情況

5 仿真實驗及結果分析

5.1 仿真實驗指標設置

根據(jù)公安部公布的數(shù)據(jù)，截至2022年底全國新能源汽車保有量達到1310 萬輛，占汽車總量的4.10%，若普通住宅小區(qū)內存在350戶家庭、每戶家庭3口人，按照25%的新能源汽車滲透率，可計算得出小區(qū)內的新能源汽車數(shù)量為350÷3×25%≈30輛，則在充電站內配置30臺充電機即可滿足需求。

設置充電站采用10kV 的大電網(wǎng)電壓供電，通過變壓器變壓到400V 為充電機共直流母線供電。[6]新能源汽車充電機的額定電壓為300～500V，根據(jù)電池規(guī)格不同提供400V-80A、400V-125A、400V-200A、500V-200A、500V-250A等多種充電方案，使用不同充電方案的汽車數(shù)量分別為10、7、6、4、3臺，按照不同規(guī)格對充電汽車進行分群聚合。假定初始時刻有10 輛規(guī)格為400V-80A 的新能源汽車接入充電，充電負荷約為300kW；隨后在0.5min 后有4 輛規(guī)格為400V-125A 的汽車電池接入，分群負荷約為200kW；1min 后又有2 輛規(guī)格為500V-200A的汽車電池接入，分群負荷約為190kW。

5.2 實驗結果分析

采用平均仿真模型、等效輸入阻抗模型，搭建含有數(shù)十臺充電機的充電站簡化模型、分群聚合模型，其中充電站簡化模型內包含1臺PWM整流器、5臺DC-DC變換器，充電站分群聚合模型內包含1臺PWM整流器、1個等效輸入阻抗可變電阻，比較這一新能源汽車接入充電過程中簡化等值模型、聚合等值模型的并網(wǎng)電壓、電流、有功和無功功率變化情況，得到如表1、圖3的仿真結果。

表1 基于簡化等值模型、聚合等值模型的并網(wǎng)電壓、電流、有功和無功功率變化情況

從表1、圖3的仿真結果可得出，采用簡化等值模型在穩(wěn)態(tài)時的等值精度更高，在暫態(tài)負載突變過程中由于舍去DCDC變換器，對于無功功率吸收、動態(tài)電壓控制的響應速度更快，但并網(wǎng)點有功功率、電流變化的暫態(tài)響應存在較大偏差；采用聚合等值模型在有功功率、無功功率吸收利用的響應精度更高，響應曲線更接近充電站內充電機實際運行的功率變化、電壓和電流曲線，因而兩種模型基本保留充電站電流、電壓的動態(tài)調節(jié)控制優(yōu)勢，可被用于配電網(wǎng)汽車充電接入后的電壓、功率控制，且在穩(wěn)態(tài)時的電壓和功率控制精度高于暫態(tài)控制精度。

6 結語

新能源汽車充電連通包括共直流母線連接、共交流母線連接等方式，采用共直流母線結構的充電站所需PWM 整流器更少、充電速度更快，可為不同電池規(guī)格的新能源汽車提供充電服務。本文采用平均模型、等效輸入阻抗模型作出充電站結構簡化與聚合，搭建涵蓋PWM整流器、移相全橋直流變換器的充電站等值模型，對汽車不同電池規(guī)格接入充電站的情況使用模型分群聚合方案，完成充電站等值參數(shù)求取、動態(tài)充電電壓調節(jié)，實現(xiàn)充電站電壓、負荷功率調節(jié)控制的安全性。