[发明专利]基于虚拟同步电机的双向隔离型谐振功率变换器控制方法

说明书

本发明为解决电动汽车充放电过程中缺乏转动惯量，电力电子变换器电压稳定性低，及运行过程中无功功率大引起的效率降低等问题，提供一种基于虚拟同步电机的双向隔离型谐振功率变换器控制方法。所述双向功率变换器由DC/DC级和DC/AC级两部分构成，根据三相同步电动机模型和三相变流器在结构上的相似性，可将DC/AC级三相变流器等效为同步电机，将整个电动汽车充电桩在其并网点等效为一台同步电机，该电机可自适应地响应电网的电压与频率扰动，并为电网提供必要的惯性和阻尼。为解决传统的DAB变换器较大无功电流引起功率损耗的缺陷，通过增加谐振模块，实现接口变换器开关器件的零电压导通和零电流关断，提高变换器整体的运行效率。

技术领域

本发明涉及大电网与电动汽车动力电池交互的双向控制领域，具体是一种基于虚拟同步电机的双向隔离型谐振功率变换器控制方法，适用于实现电动汽车与电网间的友好高效交互和能量的双向流动。

背景技术

化石能源的短缺和人们对空气污染的担忧加速了车辆的电气化。大量的电动汽车与电网互连，将有助于稳定间歇性可再生能源对电网的冲击，同时也成为有效的应急电源替代解决方案之一，得到了全世界的普遍认可和欢迎。电动汽车充放/电器的性能是保证电动汽车充放电效率、速度、以及与电网友好交互的关键性一环。

可调节双向功率流的双向接口变换器是电动汽车充电器的重要组成。对于双向接口变换器，一方面，要求电动汽车充/放电设备与配电网具有良好的交互特性，当配电网发生暂态故障时具有较高的稳定性与稳态精度。有学者提出利用交直流两侧频率和电压控制功率流向的双向下垂控制方法，使交、直流两侧均衡地承担负荷但当电动汽车的渗透率逐渐增大，下垂控制可能会对电动汽车电池和电网稳定性都造成冲击。为了增加系统的稳定性，近年来提出了变换器的虚拟同步电机控制理论和方法，将三相变流器进行等效为虚拟同步电机。有学者研究了具有虚拟惯性的虚拟同步发电机实施方案以及作为逆变电源的控制策略，但该方案中接口变换器只能应用于单一的功率流向，只能应用于特定场合的电力电子变换器。

另一方面，要求电动汽车充电设备的充放电过程尽量迅速和高效，以此提高电动汽车动力电池的使用寿命和运行安全，同时减少充放电过程的能量损耗。为了提高双向接口变换器效率，其应满足多种要求，例如宽输出电压调节、低电应力、无缓冲电路、低循环电流和良好的开关条件，以及降压/升压操作。采用隔离/双向PWM变换器结构，满足降压/升压操作，实现功率双向流动，但电流馈电侧的高频逆变器将会受到变换器漏感引起的强电压应力，是双向隔离型变换器提高效率的主要障碍。因此针对高压大功率运行的双向变换器，采用适用各种电压及高功率的DAB(dual-active-bridge)结构，可以显著的提高接口变换器的传输功率，然而，传统的DAB变换器具有大的无功电流，这会在其开关元件上产生电应力并增加功率损耗，使接口变换器的整体效率降低。因此，在电动汽车充放电中现有的变换器的相关控制技术仍有诸多缺陷，双向功率变换器需要一种既能提高运行效率又能与电网友好交互的新型控制方法。

发明内容

本发明为了解决电动汽车充放电过程中缺乏转动惯量，电力电子变换器电压稳定性低，以及运行过程中无功功率大引起的效率降低等问题，提供了一种基于虚拟同步电机的双向隔离型谐振功率变换器控制方法。

本发明是通过如下技术方案来实现的：基于虚拟同步电机的双向隔离型谐振功率变换器控制方法，电网交流母线经过线路阻抗Z_ac、滤波电阻R_ac和LC滤波器连接到交流接口变换器的交流侧；交流接口变换器的直流侧经过直流电容C_dc连接DC/DC变换器；DC/DC变换器再经过稳压电容C_f与滤波电感L_f，最终连接到动力电池；所述控制方法根据三相同步电动机模型和交流接口变换器在结构上的相似性，将交流接口变换器虚拟为同步电机，控制方法包括有功功率控制、虚拟励磁控制和电压电流双闭环控制三部分，各部分控制方法如下：

(1)有功功率控制：设定虚拟同步电机的极对数为1，其转矩方程可以表示为：