基于mmc的規模化電動汽車集群系統及其控制方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及電動汽車集群領域，應用于大規模電動汽車充電站、電動汽車到電網 (Vehicle-t〇-grid，V2G)的實現等場合，具體地說是涉及一種基于MMC的規模化電動汽車集 群系統及其控制方法。
【背景技術】
[0002] 因電動汽車(ElectricVehicle，EV)零污染的特點，預見未來十年電動汽車將大 規模發展。電動汽車大規模接入電網，將對傳統電網帶來一系列的負面影響，例如增加分布 式網絡了峰值負荷，增加電網潮流不確定性，增加電網諧波污染，影響分布式發電的調度計 劃。因此研究如何規模化集成EV，最大限度降低其對電網的影響;讓EV在未來電網中充當儲 能裝置，為大電網提供穩定頻率等輔助服務，也必將有很大的現實意義。
[0003] 為了充分利用集群電動汽車對智能電網的輔助服務作用，同時滿足用戶的用車需 求，需考慮硬件和軟件兩個方面。硬件方面需要一個高效、可集成大規模集群電動汽車的拓 撲結構;軟件方面需要一個能量管理系統，實現電動汽車對電網充放電合理化管理。現有的 電動汽車高效集成拓撲一般根據電動汽車連接的母線不同分為三類:直流母線集成、交流 母線集成和交直流母線混合集成。其中一種方法是，電動汽車通過DC/DC變換器，并聯集成 于直流母線上，這種方法可以集中控制利于協調，但是需要增加一個中央AC/DC控制器與電 網相連接，該結構在電動汽車充放電過程中實際上要經過兩級功率變換，效率低;另一種方 法是，電動汽車通過AC/DC變換器在交流母線上并聯連接的集成方式，這類方法易于系統擴 展，但是需要采取分散控制方法，不利于系統的協調控制。綜上所述，這些拓撲及控制策略 主要關注于電動汽車的集成和電網的調度要求，鮮有考慮用戶需求。當電動汽車大規模集 合成時，集群系統中的用戶為滿足自身需求可能會降低系統的輔助服務能力，甚至導致"峰 上加峰"的現象。
【發明內容】
[0004] 本發明是為避免上述現有技術所存在的不足，提供一種基于MMC的規模化電動汽 車集群系統及其控制方法，實現個體電動車充放電功率差異化控制。控制對象是基于MMC的 規模化電動汽車集群系統，通過采集電動汽車接入基于MMC的規模化電動汽車集群系統時 的初始荷電狀態S0CQij、用戶設定停留時間tij和期望荷電狀態SOCij，按照虛擬荷電狀態V-SOCij排序確定各個電動汽車對應的載波信號，實現電汽車充放電功率按需分配的目的，并 保證MMC系統三相輸出功率的平衡。
[0005] 本發明為解決技術問題采用如下技術方案：
[0006] 本發明基于MMC的規模化電動汽車集群系統的特點是:三個相單元分別經過LC濾 波器連接到交流側電網，所述相單元由上下兩個橋臂單元構成，所述橋臂單元由一個電抗 器La、一個Η橋模塊和η個相同的子模塊串聯組成;所述Η橋模塊是由四個帶有反并聯二極管 的全控功率器件SHI、SH2、SH3、SH4和電容器C組成，其中全控功率器件SH1和全控功率器件 SH2的集電極相連接于直流電源正極，全控功率器件SH3和全控功率器件SH4的發射極相連 接于直流電源負極，全控功率器件SH1發射極與全控功率器件SH3集電極相連并連接在電容 器C的一端作為!1橋模塊的正端子，全控功率器件SH2發射極與全控功率器件SH4集電極相連 并連接在電容器C的另一端作為Η橋模塊的負端子;所述Η橋模塊以全控功率器件的柵極接 受來自外部設備的驅動信號，實現通斷;所述子模塊是由帶有反并聯二極管的全控功率器 件S1、S2和一個電動汽車直流充電接口組成;其中，全控功率器件S1的集電極與電動汽車直 流充電接口的正極相連，全控功率器件S1的發射極與全控功率器件S2的集電極相連作為子 模塊的正端子，全控功率器件S2的發射極與電動汽車直流充電接口的負極相連作為子模塊 的負端子，全控功率器件S1和S2的柵極分別接受來自外部設備的外部驅動信號作為子模塊 驅動信號，實現子模塊通斷;所述全控功率器件S1和S2的外部驅動信號互補;所述子模塊的 工作方式為：
[0007] 控制所述全控功率器件S1為導通、全控功率器件S2為關斷，電動汽車被接入橋臂 單元，實現電動汽車的投入;控制所述全控功率器件S1為關斷、全控功率器件S2為導通，電 動汽車從橋臂單元被旁路，實現電動汽車的切除；
[0008] 通過控制每個橋臂單元中子模塊的工作方式，可以控制電動汽車投入和切除的數 量，實現對橋臂單元輸出電壓的控制;所述子模塊驅動信號是根據載波分配調制策略對每 個子模塊進行SPWM調制獲得。
[0009] 本發明基于MMC的規模化電動汽車集群系統的特點也在于:所述子模塊驅動信號 是按如下方式根據載波分配調制策略對每個子模塊進行SPWM調制獲得：
[0010] (1)按如下方式獲得各橋臂單元的調制波信號vrefa
[0011] 對所述規模化電動汽車集群系統的交流側電網的并網電流iab。進行采樣，根據 Park變換理論，將采樣獲得的并網電流iab。變換成以電網電壓矢量定向的同步旋轉坐標下 的直軸分量和交軸分量，所述直軸分量即為有功電流id，所述交軸分量即為無功電流iq;通 過鎖相環PLL獲得電網電壓的矢量角P將所述有功電流。和無功電流iq分別與設定的有功 電流給定值idrrf和無功電流給定值iqrrf進行比較，得到的差值分別經PI調節器形成變換器 輸出電壓直軸指令值Vdrrf和交軸指令值Vqrrf，其中，有功電流給定值idrrf由功率外環獲得， 為實現單位功率因數將無功電流給定值iqrrf設置為零;所述基于MMC的規模化電動汽車集 群系統采用載波分配調制策略進行SPWM控制，將所述電壓直軸指令值Vdrrf和交軸指令值 Vqrrf經過反PARK變換，得到各橋臂單元的調制波信號Vrrfa;
[0012] (2)在所述載波分配調制策略中采用按如下方式產生三角載波信號：
[0013] 設定所述規模化電動汽車集群系統中每個橋臂單元同時連接有η臺電動汽車，貝lj 對應設置η個層疊的三角載波信號從底層到頂層依次為Cl，C2，C3，···，Cn，各三角載波信號 的峰峰值均為l/η，上層與下層相鄰的三角波間隔l/η，各三角載波信號產生的SPTO1控制信 號與各電動汽車一一對應，用于控制對應電動汽車的充放電狀態及充放電功率大小。
[0014] 本發明基于MMC的規模化電動汽車集群系統的控制方法的特點是:根據接入所述 基于MMC的規模化電動汽車集群系統中的電動汽車的初始荷電狀態S0CQij、用戶設定停留時 間tij以及期望荷電狀態SOCij，在所述基于MMC的規模化電動汽車集群系統的充電/放電狀 態下采用載波分配調制策略實現個體電動車充電/放電功率差異化控制。
[0015] 本發明基于MMC的規模化電動汽車集群系統的控制方法的特點也在于:所述個體 電動車放電功率差異化控制按如下步驟進行：
[0016] 步驟1、通過電動汽車的能量管理系統，獲得各電動汽車的初始荷電狀態S0CQij、用 戶設定停留時間tij和期望荷電狀態SOCij，按式（1)計算獲得各電動汽車的虛擬荷電狀態V-SOCij：
[0017] V_S0Cij=(SOCij-SOC〇ij)/tij (1)
[0018] 其中i，j表示第i橋臂第j臺電動汽車，即SOCoij、tij、SOCij和V-SOCij分別表達為第i 橋臂第j臺電動汽車的初始荷電狀態、用戶設定停留時間、期望荷電狀態以及虛擬荷電狀 態；
[0019] 步驟2、針對各電動汽車的虛擬荷電狀態的大小定時進行升序排序，并按所述升序 排序設定虛擬荷電狀態序號Dl. .Dn，在沒有電動汽車退出時以5分鐘為時間間隔定時進行 升序排序，在出現有電動汽車退出時隨及進行升序排序;獲得虛擬荷電狀態序號D1、虛擬荷 電狀態序號D2…虛擬荷電狀態序號Dn的虛擬荷電狀態序列；
[0020] 步驟3、當基于MMC的所述規模化電動汽車集群系統處于充電狀態時，按如下方式 調整產生各電動車所在子模塊驅動信號所對應的三角載波信號：
[0021] 將序號為Dl. .Dn的虛擬荷電狀態與三角載波信號Cl，C2，C3，···，Cn-一對應；
[0022]以三角載波信號C1產生的控制信號作為與序號為Dn的虛擬荷電狀態所對應的電 動汽車所在子模塊的驅動信號；以三角載波信號C2產生的控制信號作為與序號為Dn-Ι的虛 擬荷電狀態所對應的電動汽車所在子模塊的驅動信號；以三角載波信號C3產生的控制信號 作為與序號為Dn-2的虛擬荷電狀態所對應的電動汽車所在子模塊的驅動信號；……；以三 角載波信號Cn產生的控制信號作為與序號為D1的虛擬荷電狀態所對應的電動汽車所在子 模塊的驅動信號；
[0023]當基于MMC的所述規模化電動汽車集群系統處于放電狀態時，按如下方式調整產 生各電動車所在子模塊驅動信號所對應的三角載波信號：
[0024] 將序號為Dl. .Dn的虛擬荷電狀態和三角載波信號Cl，C2，C3，···，Cn-一對應，
[0025]以三角載波信號C1產生的控制信號作為與序號為D1的虛擬荷電狀態所對應的電 動汽車所在子模塊的驅動信號；以三角載