考虑电网频率稳定的电动汽车充电双向控制系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力系统稳定运行与控制及电动汽车充电技术领域，尤其涉及一种考 虑电网频率稳定的电动汽车充电双向控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 电力系统安全稳定运行的条件是供需平衡，即负荷与发电平衡，特别是有功功率 的平衡，它直接影响系统频率的稳定。电力系统对频率的要求极高，电力系统正常的频率标 准为50Hz ±0. 2Hz。系统频率偏离额定值运行会对用电设备造成影响甚至破坏。
[0003] 智能电网的发展对电网建设提出了更高的要求。智能电网建设围绕绿色、智能、 可持续发展、安全可靠、经济高效展开，要求加快可再生能源发电的建设，升级改造传统输 电网与配电网，实现调度智能化，尽最大可能满足用户用电需求，保证用电质量与用电可靠 性。
[0004] 在智能电网建设背景下，频率控制三道防线的不足也越来越明显，特别是第三道 防线中的低频减载，不仅严重影响用户的供电，还可能会切除部分重要负荷，造成大的经济 损失和安全事故。应尽量避免低频减载的发生。
[0005] 随着智能电网建设的发展，传统可控涡轮发电（火电、水电、煤电、燃气等）所占比 重将越来越小，造成系统旋转备用容量不足。而可再生能源发电（风电、光伏发电、生物质 发电等）所占的比重越来越大，其发电的间歇性和不可控性容易引起有功出力的大幅随机 波动，其本身又缺乏储能备用，而且它们通过电力电子装置联网，故障情况下无法阻尼电网 频率的变化，这对可控发电机组的可调容量与总旋转备用容量又提出了更高要求。故障后 系统频率下降严重时极易使电网陷入有功电源支撑不足的困境，造成系统频率的进一步下 降；在做电网低频减载整定时也不得不提高切负荷量，进一步影响了供电，造成更大的经济 损失，与智能电网的建设初衷背道而驰。
[0006] 综上所述，亟需寻找一种可控负荷，在故障后电网频率下降严重时可以减小甚至 切除这种负荷，减小甚至消除功率缺额，保证系统频率稳定性。但是当系统有功功率缺额较 大且有功备用不足时，即使完全切除这种负荷可能也不会阻止频率的下降，这时还需要寻 找一种可控储能元件，作为有功备用，在电网经受极其严重的故障后能够向电网送电，起到 故障后电源支撑的作用，进一步提高系统频率稳定性，避免低频减载的发生，将经济损失降 到最低。
[0007] 电动汽车恰恰能同时满足上述两个要求。首先，电动汽车充电负荷是一种较为理 想的可控负荷，它的充电功率受控于充电粧，可以比较容易的控制充电负荷大小。此外，可 双向送电的充电粧技术也在日趋成熟，这使得将电动汽车电池作为电源向电网送电成为可 能。
[0008] 预计到2020年，国内充换电站数量达到1. 2万个，充电粧达到450万个，电动汽车 与充电设施的比例也将从现在的4 :1提升到接近标配的1 :1，并且电动汽车电池容量也会 随着技术的进步而大幅增大，电动汽车作为可控有功电源支撑电网频率安全稳定运行的作 用将越来越大。
[0009] 由此可见设计一种考虑电网频率稳定的电动汽车充电双向控制系统及方法是十 分必要的。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的就是解决上述问题，提供了一种考虑电网频率稳定的电动汽车充电 双向控制系统及方法，以具有双向功率转换功能的单相直流充电粧结构作为实现频率调节 功能的充电粧主电路，来说明该双向控制系统和方法。双向控制系统以电网频率或调频指 令为基础，按照控制算法进行电动汽车充放电功率计算，通过充电粧功率控制模块控制电 动汽车按照计算的功率大小进行充放电，最终实现配合电网频率稳定控制的电动汽车充放 电。
[0011] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案，包括：
[0012] -种考虑电网频率稳定的电动汽车充电双向控制系统，包括：一次调频控制系统 和二次调频控制系统；
[0013] 所述一次调频控制系统安装于分散的电动汽车直流充电粧或者充放电站内的充 电粧；所述二次调频控制系统安装于参与二次调频的电动汽车集中充放电站；
[0014] 所述二次调频控制系统包括集中充放电站站控系统和电动汽车充电粧控制系统； 通过集中充放电站站控系统实现电动汽车充电粧控制系统与调频代理商的双向通信，同时 接收二次调频机组控制系统的调频信息；
[0015] 调频代理商集中若干电动汽车参与电网调频服务，接受电网二次调频指令信息并 分别发送到二次调频机组控制系统和集中充放电站站控系统。
[0016] 所述一次调频控制系统的结构包括：用户设置模块，信息发送模块，频率测量模 块，频率选取模块，功率计算模块以及充电粧功率控制模块；
[0017] 所述用户设置模块与充电粧功率控制模块和信息发送模块分别通信，频率测量模 块接入充电所在的低压交流电网，频率测量模块还与频率选取模块、功率计算模块和功率 控制模块依次串联连接。
[0018] 所述集中充放电站站控系统包括依次连接的站控信息收发模块和调频信息计算 丰旲块。
[0019] 所述充电粧控制系统包括：用户设置模块、信息收发模块、功率计算模块以及充电 粧功率控制模块；
[0020] 用户设置模块通过内部通信线路分别与充电粧功率控制模块和信息收发模块连 接，信息收发模块与集中充放电站站控系统通信，信息收发模块接收集中充放电站站控系 统发送的调频指令并与功率计算模块相连，功率计算模块与功率控制模块相连。
[0021] 所用的电动汽车充电粧为双向直流充电粧，具体包括：交流输入电源、全控型双向 AC/DC变换器、全控双向隔离型DC/DC变换器以及用于滤波、稳压的电感LU电感L2、电容 Cl和电容C2 ;
[0022] 所述全控型双向AC/DC变换器的交流侧通过电感Ll与交流输入电源连接，全控型 双向AC/DC变换器的直流侧并联直流滤波电容Cl ;
[0023] 所述全控双向隔离型DC/DC变换器包括：高频变压器两端分别连接第一 H形桥臂 和第二H形桥臂；全控双向隔离型DC/DC变换器靠近交流电源一侧的两端通过电感L2分别 接入第一 H形桥臂的上臂和下臂之间；全控双向隔离型DC/DC变换器靠近电动汽车动力电 池一侧的两端分别接入第二H形桥臂的上臂和下臂之间；所述第二H形桥臂并联直流滤波 电容C2后接入动力电池。
[0024] 所述充电粧功率控制模块包括第一 PffM控制电路和第二PffM控制电路；
[0025] 第一 PffM控制电路输入直流滤波电容Cl处直流电压参考值、直流电压实际值以及 充电粧接入端口交流电流、交流电压，输出全控型双向AC/DC变换器功率开关管的开关控 制信号；
[0026] 第二PffM控制电路恒流充放电阶段输入充电动力电池输入电流指令值、输入电流 实际值，恒压充放电阶段输入充电动力电池端电压指令值、端电压实际值；输出全控型DC/ DC变换器功率开关管的开关控制信号；
[0027] 第一 PffM控制电路通过对输入信号的PffM控制实现交直流变换、功率因数控制、交 流电压和电流控制的功能；第二PffM控制电路通过对输入信号的移相PffM控制技术实现直 流电压变换并控制动力电池充放电功率。
[0028] 在电网向电动汽车送电时，
[0029] 对于全控型双向AC/DC变换器，第一 PffM控制电路的控制过程为：直流电压参考 值vd。,与直流电压实际值V d。比较后，误差信号el通过电压控制PI调节器产生直流电压 信号Vfcran，直流电压信号电网电压相角波形相乘后产生充电交流电流相角参考值 Uu,rafl，交流电流相角参考值Uu,rafl与充电交流电流相角实际值Uul比较后误差信号 e2通过电流控制PI调节器产生交流电流信号，交流电流信号与载波信号通过信号 比较器比较后通过极性识别环节产生驱动信号，驱动功率开关管Q1-Q4,实现预定功能；
[0030] 对于全控型DC/DC变换器，第二PffM控制电路的控制过程为：电流或电压指令值与 动力电池电流或电压实际值比较，产生的误差信号e通过PI调节器后与常数相乘产生电流 参考信号1_或电压参考信号V _，参考信号与载波信号1"作和后经正弦变换产生参考信 号i e (用于恒流充电控制）或(用于恒压充电控制）；载波信号正弦处理后产生参考信 号％(用于恒流充电控制）或％ (用于恒压充电控制）；开关管转换过程死区时间与转换周 期之比Viratl。与i e或V e通过信号比较器比较后产生驱动功率开关管Q7的信号，与i。或 V。通过信号比较器比较后生驱动功率开关管Q5的信号；^_1￡]取反后与i e或V e通过信号 比较器比较后产生驱动功率开关管Q8的信号，^_1￡]取反后与i。或V。通过信号比较器比 较后产生驱动功率开关管Q6的信号。
[0031] 在电动汽车向电网送电时，
[0032] 对于全控型双向AC/DC变换器，第一 PffM控制电路的控制过程为：直流电压参考值 vd。, 与直流电压实际值比较后，误差信号通过PI调节器产生直流电压信号V d。, ran，直流电 压信号1,_与电网电压相角波形相乘后产生充电交流电流相角参考值I i u,MI，交流电流 相角参考值|iu,raf|与充电交流电流相角