多台直流充电桩系统的协同控制方法

1.本发明涉及一种多台直流充电桩系统的协同控制方法，属于直流配电网控制领域。


背景技术：

2.电动汽车作为节能、便捷的新型出行工具，近年来得到了迅速发展。随着电动汽车销售量的逐年提升，作为电网与电动汽车之间的桥梁，直流充电桩与快速充电技术也在同步快速发展。
3.保障充电桩系统良好的控制效果，为车主提供安全、高效、稳定的充电服务，是推动电动汽车行业稳步发展的关键举措。因此，如何改进充电桩系统的控制性能正逐渐成为电动汽车领域的热点问题。
4.目前对直流充电桩的控制研究中，大多着重于一些传统控制方法，包括下垂控制、主从控制和电压电流双闭环控制等方法，但在传统控制方法下，电力电子装置具有小惯性的特点，在负载侧变化较复杂时，传统控制方法下的系统在动态性能与电压抗扰动能力有明显不足。
5.此外，目前直流充电桩设计大多是按照一台充电桩对一或多辆电动汽车的模式，在该模式下，充电过程的安全性很大程度上依赖单一充电桩的稳定运行，并且充电设备老化后，线路电阻将直接影响直流侧电压的稳定。
6.上述问题是在多台直流充电桩系统的协同控制过程中应当予以考虑并解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种多台直流充电桩系统的协同控制方法解决现有技术中存在的负载侧变化时，动态性能与电压抗扰动能力明显不足，有待提高的问题。
8.本发明的技术解决方案是：
9.一种多台直流充电桩系统的协同控制方法，包括以下步骤，
10.s1、比较多台直流充电桩系统的第i个充电桩系统的直流侧电压ui与直流母线额定电压un是否相等，若不相等，则进入下一步骤s2；若相等，则结束；
11.s2、建立适用于直流充电桩系统的虚拟惯性控制策略；
12.s3、对步骤s2建立的虚拟惯性控制策略中的虚拟参数包括虚拟惯性和虚拟阻尼系数进行分析，根据电压波动，得到自适应参数优化的虚拟惯性控制，并作为一次控制；
13.s4、引入用于对负载变化造成的直流充电桩系统电压偏差做出整体响应的惯性中心电压，根据惯性中心电压，得出每台充电桩直流侧电压与惯性中心电压之间的相对电压偏差；
14.s5、根据步骤s4得到的相对电压偏差，采用惯性中心协同控制对虚拟参数进行二次控制，利用对虚拟参数进行二次控制后的虚拟惯性控制作为电压外环，调节各充电桩的
输入电能，用于稳定直流侧电压；
15.s6、在虚拟惯性控制作为电压外环的基础上，利用反推法重新构造电流内环，输出pwm信号，实现多台直流充电桩的协同运行控制。
16.进一步地，步骤s1中，建立适用于直流充电桩系统的虚拟惯性控制策略，具体为，
17.s21、为直流充电桩系统增加虚拟电容，第i个充电桩系统中，虚拟电容两侧输入与输出电流关系表示为：
[0018][0019]
其中，i
c.i
为虚拟电容输入电流；ii为系统输出电流；c
v.i
为第i个充电桩系统的虚拟电容值即第i个充电桩系统的的虚拟惯性值；为虚拟惯性控制输出的电压值；t为时间；
[0020]
s22、将虚拟电容的输入电流等效为额定电流与阻尼电流之差，得到第i个充电桩系统的控制策略为：
[0021][0022]
其中，i
set
为系统流向直流侧的电流参考值，ii为系统输出电流，c
v.i
为虚拟电容值，di为虚拟阻尼系数，ui为直流侧电压，为虚拟惯性控制输出的电压值；
[0023]
s23、引入电压-电流下垂控制，最终得到的虚拟惯性控制表达式为：
[0024][0025]
其中，ki为下垂系数，un为直流母线额定电压。
[0026]
进一步地，步骤s3中，得到自适应参数优化的虚拟惯性控制为：
[0027][0028]
其中，c
v.0
、d0分别为第i个充电桩系统的初始虚拟参数；dui/dt为第i个充电桩系统的电压变化率；m
1.i
、m
2.i
分别为正调节参数。
[0029]
进一步地，步骤s4中，根据惯性中心电压，得出每台充电桩直流侧电压与惯性中心电压之间的相对电压偏差，具体为，
[0030]
s41、惯性中心电压uc为：
[0031][0032]
其中，c
v.i
表示第i个充电桩系统的虚拟惯性值，ui表示第i个充电桩系统的直流侧电压，c
t
表示充电桩系统惯性值，数值上等于每台充电桩系统虚拟惯性值之和；
[0033]
s42、得出每台充电桩直流侧电压与惯性中心电压之间的相对电压偏差：
[0034]
δu
r.i
＝u
i-uc[0035]
其中，ui表示第i个充电桩系统的直流侧电压，uc表示惯性中心电压。
[0036]
进一步地，步骤s5中，根据步骤s4得到的相对电压偏差，采用惯性中心协同控制对虚拟参数进行二次控制，利用对虚拟参数进行二次控制后的虚拟惯性控制作为电压外环，调节各充电桩的输入电能，具体为，
[0037]
s51、根据步骤s4得到的相对电压偏差，采用惯性中心协同控制对虚拟参数进行二次控制：
[0038][0039]
其中，c
v.i
表示第i个充电桩系统的虚拟惯性值，di为虚拟阻尼系数，c
v.0
、d0分别为第i个充电桩系统的初始虚拟参数，dui/dt为第i个充电桩系统的电压变化率，m
1.i
、m
2.i
分别为正调节参数，ui表示第i个充电桩系统的直流侧电压，un为直流母线额定电压，n
1.i
和n
2.i
为正调节参数；dδu
r.i
/dt为相对电压偏差δu
r.i
的变化率；
[0040]
s52、利用对虚拟参数进行二次控制后的虚拟惯性控制作为电压外环，调节各充电桩的输入电能的方式为，在虚拟惯性控制基础上增加附加输入电流i
if.i
，将附加输入电流i
if.i
算作系统输出电流ii的一部分，此时，虚拟惯性控制表达式为：
[0041][0042]
其中，ki为下垂系数，un为直流母线额定电压，ui为直流侧电压，ii为系统输出电流，c
v.i
为虚拟电容值，di为虚拟阻尼系数，为虚拟惯性控制输出的电压值。
[0043]
进一步地，步骤s52中，附加输入电流i
if.i
的表达式为：
[0044][0045]
其中，q
p
、qd和qs为第i个系统的比例、导数和积分正调节参数；为相对电压偏差变化率；∫δu
r.i
dt为相对电压偏差积分值。
[0046]
进一步地，步骤s6中，利用反推法重新构造电流内环，具体为，
[0047]
s61、基于pi控制的电流内环在dq坐标系中表示为：
[0048][0049]
其中，li、ri为变压器与变流器之间的线路电感、电阻，e
d.i
、e
q.i
为交流侧电压在d、q轴的分量，ωi为交流侧频率，ui表示第i个充电桩系统的直流侧电压，s
d.i
、s
q.i
为开关信号，交流侧电流在旋转坐标系d、q轴的分量i
d.i
、i
q.i
的变化率表示为：
[0050][0051]
s62、为实现充电桩系统电压跟踪控制，根据反推控制，定义误差，并构造lyapunov正定函数表达式，根据lyapunov渐近稳定性定理，设计第i个系统中重新构造的电流环开关信号s
d.i
、s
q.i
。
[0052]
进一步地，步骤s62中，定义误差，并构造lyapunov正定函数表达式，具体为，
[0053]
s621、定义误差e1、e2：
[0054][0055]
其中，i
d.i
、i
q.i
为交流侧电流在旋转坐标系d、q轴的分量，为虚拟惯性控制得到的内环参考电流；数值为零；
[0056]
s622、构造lyapunov正定函数表达式：
[0057][0058][0059]
其中，e1、e2为误差，v1、v2为构造的lyapunov函数；
[0060]
s623、根据lyapunov渐近稳定性定理，设计第i个系统中重新构造的电流环开关信号s
d.i
、s
q.i
为：
[0061][0062][0063]
其中，ui表示第i个充电桩系统的直流侧电压，li、ri为变压器与变流器之间的线路电感、电阻；i
d.i
、i
q.i
为交流侧电流在旋转坐标系d、q轴的分量；e
d.i
、e
q.
i为交流侧电压在d、q轴的分量；ωi为交流侧频率；为虚拟惯性控制得到的内环参考电流；d1、d2为大于零的常数。
[0064]
本发明的有益效果是：
[0065]
一、该种多台直流充电桩系统的协同控制方法，在虚拟惯性控制的基础上，采用惯性中心协同控制作为二次控制，能够优化多充电桩系统协同控制效果，有效增强各系统电压响应的一致性，使多充电桩系统在负载投切时能快速恢复稳定。该方法能够在负载投切时有效地稳定直流充电桩输出电压，同时能够为直流系统提供足够的惯性和阻尼支撑，有效提高动态性能与电压抗扰动能力，从而充分保障充电过程的稳定。
[0066]
二、该种多台直流充电桩系统的协同控制方法，考虑公共直流母线上线路电阻损
耗的问题，在多台充电桩协同运行时，能够有效降低线路损耗对公共母线电压的影响，并且切除某一充电桩后，剩余系统依旧可协同运行，经实验仿真验证，本发明方法进行“互联多充”具有更高的优越性与安全性。
附图说明
[0067]
图1是本发明实施例多台直流充电桩系统的协同控制方法的流程示意图；
[0068]
图2是实施例中虚拟电容与直流侧电压之间的动态响应示意图；
[0069]
图3是实施例中虚拟阻尼与直流侧电压之间的动态响应示意图；
[0070]
图4是实施例中直流充电桩系统扰动时的电压振荡曲线示意图；
[0071]
图5是实施例中相对电压偏差的单周期振荡曲线示意图；
[0072]
图6是实施例中基于虚拟惯性控制的惯性中心协同控制的说明框图；
[0073]
图7是实施例中三台充电桩的输出电压的变化示意图；
[0074]
图8是实施例中公共母线电压的变化示意图；
[0075]
图9是实施例中三台充电桩的输出功率的变化示意图。
具体实施方式
[0076]
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
[0077]
实施例
[0078]
一种多台直流充电桩系统的协同控制方法，如图1，包括以下步骤，
[0079]
s1、比较多台直流充电桩系统的第i个充电桩系统的直流侧电压ui与直流母线额定电压un是否相等，若不相等，则进入下一步骤s2；若相等，则结束；
[0080]
s2、建立适用于直流充电桩系统的虚拟惯性控制策略；
[0081]
步骤s2中，根据交流系统中虚拟同步机模型，类比交流-直流微网中的关键参数，建立适用于直流充电桩系统的虚拟惯性控制策略。在传统交流系统的虚拟同步机的基础上建立适用于直流充电桩系统的虚拟惯性控制策略。传统同步机频率发生突变时，可依靠转子储存的动能为系统提供惯性支撑，维持频率稳定。直流系统的惯性主要表现在维持直流侧电压稳定的能力。与交流系统类似的是，当直流侧电压发生突变时，直流系统可依靠直流侧并联电容中储存的能量为系统提供惯性，因此可类比vsm技术模拟转子运动方程的方式，为直流系统增加虚拟电容cv以增加惯性。在系统受到扰动时，通过电容器充放电的方式提升系统阻碍直流侧电压波动的能力。以第i个系统为例，虚拟电容两侧输入与输出电流关系可表示为：
[0082][0083]
其中，i
c.i
为虚拟电容输入电流；ii为系统输出电流；c
v.i
为第i个充电桩系统的虚拟电容值即第i个充电桩系统的的虚拟惯性值；为虚拟惯性控制输出的电压值；t为时间；
[0084]
同时，为了使虚拟惯性控制具备类似vsm技术的阻尼特性，将虚拟电容的输入电流等效为额定电流与阻尼电流之差，使直流系统发生电压波动时，通过阻尼系数抑制电压侧较大波动，并根据波动程度合理调节输出电流，维持直流侧电压稳定。由此可初步得到虚拟惯性控制表达式：
[0085][0086]
其中，i
set
为系统流向直流侧的电流参考值；i
i.d
为阻尼电流；di为虚拟阻尼系数；ui为直流侧电压，c
v.i
为虚拟电容器电容值。
[0087]
在直流系统具备惯性与阻尼特性的基础上，引入电压-电流下垂控制，利用下垂特性可进一步减少电压波动幅度，提升虚拟惯性控制效果。最终得到虚拟惯性控制表达式：
[0088][0089]
其中，un为直流母线额定电压，ui为直流侧电压，为虚拟惯性控制输出的电压值，ki为下垂系数，ii为系统输出电流，di为虚拟阻尼系数。
[0090]
s3、对步骤s2建立的虚拟惯性控制策略中的虚拟参数包括虚拟惯性和虚拟阻尼系数进行分析，根据电压波动，得到自适应参数优化的虚拟惯性控制，并作为一次控制；
[0091]
步骤s3中，针对虚拟电容c
v.i
，对第i个系统而言，由式(3)可得：
[0092][0093]
其中，为虚拟惯性控制输出的电压值，ui为直流侧电压，ki为下垂系数，un为直流母线额定电压，ii为系统输出电流，di为虚拟阻尼系数。
[0094]
直流系统的惯量很大程度上依赖直流侧并联电容的充放电特性，其电容值是恒定常量，而虚拟惯性控制下虚拟电容值是虚拟量，当的值一定时，虚拟电容值与直流侧电压变化率成反比，因此可改变虚拟电容值以改善直流侧电压变化曲线，从机理上证实了对虚拟电容进行自适应控制的可能性。
[0095]
虚拟电容与直流侧电压的关系，如图2，可知在t＝4s时系统发生扰动，虚拟电容越大，直流侧电压超调量越小，电压变化率越小，但系统稳定时间更长。
[0096]
针对虚拟阻尼，对第i个系统而言，由式(3)可得：
[0097][0098]
其中，ui为直流侧电压，为虚拟惯性控制输出的电压值，ki为下垂系数，un为直流母线额定电压，ii为系统输出电流，c
v.i
为虚拟电容器电容值，di为虚拟阻尼系数。
[0099]
同理，虚拟阻尼为虚拟量，当的值一定时，虚拟电阻与直流侧电压的偏差量成反比，因而可改变虚拟阻尼值，从而增强系统平抑直流侧电压的能力。虚拟阻尼与直流侧电压的关系，如图3，可知在t＝4s时系统发生扰动，虚拟阻尼较大的系统直流侧电压超调量较小，且稳定时间更短。仿真结果证实了虚拟阻尼与直流侧电压波动幅值的关系。
[0100]
充电桩系统的负载投切时，直流侧电压的波动曲线，如图4，由于电压偏离额定值，故需要在相应阶段及时调整虚拟参数值，以帮助系统尽快稳定直流侧电压。根据上述分析，
设计出电压震荡不同区间内虚拟参数的调节如表1，表1中，δu
dc
为直流侧电压ui与直流母线额定电压un的偏差值；du
dc
/dt为公共母线电压变化率。
[0101]
表1为电压振荡的不同区间内设计的虚拟参数
[0102]
区间δu
dc
du
dc
/dtcvdt
1-t2》0》0增大增大t
2-t3》0《0减小增大t
3-t4《0《0增大增大t
4-t5《0》0减小增大
[0103]
综合以上虚拟参数与电压变化关系的分析，以第i个系统为例，自适应参数优化的虚拟惯性控制方程表示为：
[0104][0105]
其中，ki为下垂系数，un为直流母线额定电压，ui为直流侧电压，为虚拟惯性控制输出的电压值，ii为系统输出电流，c
v.i
为虚拟电容器电容值，di为虚拟阻尼系数，c
v.0
、d0分别为第i个充电桩系统的初始虚拟参数；dui/dt为第i个充电桩系统的电压变化率；m
1.i
、m
2.i
分别为正调节参数。
[0106]
s4、引入用于对负载变化造成的直流充电桩系统电压偏差做出整体响应的惯性中心电压，根据惯性中心电压，得出每台充电桩直流侧电压与惯性中心电压之间的相对电压偏差；
[0107]
步骤s4中，根据惯性中心电压，得出每台充电桩直流侧电压与惯性中心电压之间的相对电压偏差，具体为，
[0108]
s41、惯性中心电压uc为：
[0109][0110]
其中，c
v.i
表示第i个充电桩系统的虚拟惯性值，ui表示第i个充电桩系统的直流侧电压，c
t
表示充电桩系统惯性值，数值上等于每台充电桩系统虚拟惯性值之和；
[0111]
s42、得出每台充电桩直流侧电压与惯性中心电压之间的相对电压偏差：
[0112]
δu
r.i
＝u
i-ucꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0113]
其中，ui表示第i个充电桩系统的直流侧电压，uc表示惯性中心电压。
[0114]
s5、根据步骤s4得到的相对电压偏差，采用惯性中心协同控制对虚拟参数进行二次控制，利用对虚拟参数进行二次控制后的虚拟惯性控制作为电压外环，调节各充电桩的输入电能，用于稳定直流侧电压；实现负载投切时直流侧电压响应的一致性；
[0115]
s51、根据步骤s4得到的相对电压偏差，采用惯性中心协同控制对虚拟参数进行二次控制：
[0116][0117]
其中，c
v.i
表示第i个充电桩系统的虚拟惯性值，di为虚拟阻尼系数，c
v.0
、d0分别为第i个充电桩系统的初始虚拟参数，dui/dt为第i个充电桩系统的电压变化率，m1
.i
、m
2.i
分别为正调节参数，ui表示第i个充电桩系统的直流侧电压，un为直流母线额定电压，n
1.i
和n
2.i
为正调节参数；dδu
r.i
/dt为相对电压偏差δu
r.i
的变化率；
[0118]
步骤s51中，如图5，第i个充电桩系统的相对电压偏差δu
r.i
的单周期振荡曲线共有四个区间：在区间
①
内，相对电压偏差δu
r.i
为正值且变化率为正，这表明此系统的电能大于系统平均值，且正从其他系统吸收更多电能。因此，若要防止此系统远离其他系统，应减少其输入电能。同时，为使其输出电压更快靠近至uc，在此区间内应增加虚拟电容和虚拟阻尼。在区间
②
内，相对电压偏差δu
r.i
为正值但变化率为负，表明此系统的电能虽大于系统平均值，但在向其他系统释放电能。相较于区间
①
，区间
②
可略微降低输入电能减少量，同时减少虚拟电容并增大虚拟阻尼，以保证系统不会出现较大波动。同理，区间
③
和区间
④
的相对电压偏差δu
r.i
为负值，该阶段应增加输入电能，相较于区间
③
，区间
④
的输入电能值应较低。其中，区间
③
和区间
④
的虚拟参数变化可类比区间
①
和区间
②
。值得注意的是，为使每个系统都能够稳定运行，需要设定虚拟参数值的上下界。由此可得公式(9)的虚拟惯性控制方程中虚拟参数的最终表达式。
[0119]
s52、利用对虚拟参数进行二次控制后的虚拟惯性控制作为电压外环，调节各充电桩的输入电能的方式为，在虚拟惯性控制基础上增加附加输入电流i
if.i
，将附加输入电流i
if.i
算作系统输出电流ii的一部分，此时，虚拟惯性控制表达式为：
[0120][0121]
其中，ki为下垂系数，un为直流母线额定电压，ui为直流侧电压，ii为系统输出电流，c
v.i
为虚拟电容值，di为虚拟阻尼系数，为虚拟惯性控制输出的电压值。
[0122]
步骤s52中，附加输入电流i
if.i
的表达式为：
[0123][0124]
其中，q
p
、qd和qs为第i个系统的比例、导数和积分正调节参数；为相对电压偏差变化率；∫δu
r.i
dt为相对电压偏差积分值。
[0125]
步骤s52中，惯性中心控制方法需要调节所在系统的输入电能，以抑制电压波动并减少与δu
r.i
的振荡。因此需要在原控制方法基础上增加附加输入电流i
if.i
，用于改变虚拟惯性控制中的输入电流。通过在虚拟惯性控制表达式中增加附加输入电流i
if.i
，可使电压高于或低于惯性中心电压uc的系统及时降低或增加输入电流ii，以优化整体系统协同控制的动态响应能力。
[0126]
s6、在虚拟惯性控制作为电压外环的基础上，利用反推法重新构造电流内环，输出pwm信号，实现多台直流充电桩的协同运行控制。
[0127]
s61、基于pi控制的电流内环在dq坐标系中表示为：
[0128][0129]
其中，li、ri为变压器与变流器之间的线路电感、电阻，e
d.i
、e
q.i
为交流侧电压在d、q轴的分量，ωi为交流侧频率，ui表示第i个充电桩系统的直流侧电压，s
d.i
、s
q.i
为开关信号。其中，交流侧电流在旋转坐标系d、q轴的分量i
d.i
、i
q.i
的变化率可表示为：
[0130][0131]
s62、为实现充电桩系统电压跟踪控制，根据反推控制经典步骤，定义误差e1、e2：
[0132][0133]
其中，i
d.i
、i
q.i
为交流侧电流在旋转坐标系d、q轴的分量，为虚拟惯性控制得到的内环参考电流；数值为零。
[0134]
构造lyapunov正定函数表达式：
[0135][0136]
根据lyapunov渐近稳定性定理，若要式(15)稳定，则应使因此对式(15)求导后对式(14)求导得到并将式(13)带入进而带人可得：
[0137][0138]
其中，d1为大于零的常数；为lyapunov函数的导数值；e1为误差；为误差e1的导数值。
[0139]
此时，若要可设计开关信号s
d.i
：
[0140][0141]
其中，ui表示第i个充电桩系统的直流侧电压，li、ri为变压器与变流器之间的线路电感、电阻；i
d.i
、i
q.i
为交流侧电流在旋转坐标系d、q轴的分量；e
d.i
为交流侧电压在d轴的分量；ωi为交流侧频率；为虚拟惯性控制得到的内环参考电流；为零；d1、d2为大于零的
常数。
[0142]
将式(17)带入式(16)，此时表达式为：由于d1是大于零的常数，因此恒小于0，正定函数v1单调递减。根据lyapunov渐近稳定性定理可知，设计出的开关信号s
d.i
可令v1保持稳定状态。
[0143]
同理，构造lyapunov函数v2：
[0144][0145]
根据lyapunov渐近稳定性定理，若要式(18)稳定，则应使对式(18)求导对式(14)求导得到并将式(13)带入进而带人可得：
[0146][0147]
其中，d2为大于零的常数；为lyapunov函数的导数值；e2为误差；为误差e2的导数值。
[0148]
同理，为保障函数v2稳定，构造开关信号s
q.i
：
[0149][0150]
其中，ui表示第i个充电桩系统的直流侧电压，li、ri为变压器与变流器之间的线路电感、电阻；i
d.i
、i
q.i
为交流侧电流在旋转坐标系d、q轴的分量；e
q.i
为交流侧电压在q轴的分量；ωi为交流侧频率；d2为大于零的常数。
[0151]
将式(20)代入式(19)，可得表达式为：由于d2是大于零的常数，因此正定lyapunov函数v2单调递减。由lyapunov渐近稳定性定理可知，此时v2保持稳定状态。
[0152]
步骤s6中，在虚拟惯性控制作为电压外环的基础上，利用反推法重新构造电流内环，输出pwm信号，能够用于进一步提升控制效果，在采用所提虚拟惯性控制方法作为电压外环的前提下，改进电流内环，进行电压-电流双环控制，改善控制效果。由上述步骤s1-s6可得基于虚拟惯性控制的惯性中心协同控制框图如图6所示，图6中，1/s为积分模块；limiter为限幅模块。
[0153]
该种多台直流充电桩系统的协同控制方法，能够在负载投切时有效地稳定直流充电桩输出电压，同时能够为直流系统提供足够的惯性和阻尼支撑，有效提高动态性能与电压抗扰动能力，从而充分保障充电过程的稳定。本发明，在虚拟惯性控制的基础上，采用惯性中心协同控制作为二次控制，能够优化多充电桩系统协同控制效果，有效增强各系统电压响应的一致性，使多充电桩系统在负载投切时能快速恢复稳定。
[0154]
该种多台直流充电桩系统的协同控制方法，考虑公共直流母线上线路电阻损耗的问题，在多台充电桩协同运行时，能够有效降低线路损耗对公共母线电压的影响，并且切除某一充电桩后，剩余系统依旧可协同运行，经实验仿真验证，本发明方法进行“互联多充”具有更高的优越性与安全性。
[0155]
该种多台直流充电桩系统的协同控制方法，能够建立适用于直流系统的虚拟惯性控制，直流充电桩系统也将具有同步机的外特性，能够为其提供惯性和阻尼支撑，使电动汽车由传统的被动负荷转变为能够主动参与充电桩调节的特殊负载，能够快速平抑负载投切时直流侧电压波动。该方法提出一种互联多充的“多对多”充电方式，将多台充电桩协同控制后为多辆电动汽车充电。在互联模式下，能有效降低负载投切与线路电阻对直流侧电压的影响，并能在某一充电桩故障时将其及时切除，能够充分保障充电桩系统的安全性与高效性。
[0156]
该种多台直流充电桩系统的协同控制方法，在建立多台直流充电桩协同运行的模型后，首先将交流与直流系统中关键参数进行类比，将交流系统中的虚拟同步机模型改进为适用于直流系统的虚拟惯性控制方法，在此基础上对其关键的虚拟参数进行自适应调节优化，并作为一次控制，然后采用惯性中心协同控制策略作为二次控制，调整各充电桩系统的输入电能，并对虚拟参数进行二次调节，从而保障各系统在不同参数下实现电压响应的一致性。最后，利用反推法重新构造电流内环，弥补了传统pi控制动态性能较弱的问题，从而实现多台直流充电桩的协同运行控制。
[0157]
该种多台直流充电桩系统的协同控制方法，能够显著降低电动汽车负载投切和线路电阻对充电桩公共母线电压的影响，并能在某一充电桩故障时将其及时切除时，能够实现剩余充电桩电压发生较小扰动并很快恢复稳定，充分保障多充电桩系统的安全性与高效性。
[0158]
实施例的该种多台直流充电桩系统的协同控制方法进行实验仿真分析如下：
[0159]
以多台充电桩系统协同控制为研究对象，利用matlab/simulink对多个直流充电桩系统进行仿真分析，系统中直流充电桩额定电压为750v，最大输出功率为375kw，电动汽车负载功率为187kw，考虑三个直流充电桩和两辆电动汽车负载，并假设各充电桩与直流母线之间有不同阻值的线路电阻，且三台充电桩的虚拟电容与虚拟电阻依次减小。对充电桩系统运行过程中电动汽车负载的投切，以及某一充电桩发生故障并将其切除，以保障整体系统稳定的情形进行仿真分析，并根据以此引起的充电桩输出电压与负载电压变化来验证本发明所提控制策略的有效性。
[0160]
设置仿真工况如下：首先使三台充电桩协同运行，在t＝4s和t＝5s时，多充电桩系统接入和切除负载，随后在t＝6s时切除第三台充电桩；之后使两台充电桩协同运行，在t＝8s和t＝9s时，系统接入和切除负载，随后在t＝10s时切除第二台充电桩；最后使第一台充电桩独立运行，在t＝12s和t＝13s时，系统接入和切除负载。仿真中，在t＝4s之前，充电桩系统已接入一辆电动汽车负载，在t＝4s时开始再次接入汽车负载，仿真结果如图7、图8、图9所示。
[0161]
由图7可知，在t＝4～6s期间，三台充电桩协同运行，在t＝4s时接入第二辆汽车负载，并在t＝5s时切除该负载，此时三台充电桩输出电压均出现扰动，而由于三台充电桩的虚拟电容与虚拟阻尼依次减小，因此第一台充电桩的控制效果更好，第一台充电桩的输出电压u1变化最小，第二台充电桩的输出电压u2变化适中，第三台充电桩的输出电压u3变化最大。由于线路之间存在线路电阻，在t＝4s时接入第二辆电动汽车负载后，线路电阻的电压小幅增加，公共母线电压随之下降了约2v，如图8所示。同时，由于不同充电桩线路长短及老化程度不同，线路电阻也不同，因此各充电桩的功率出力也不同。如图9所示，在t＝4～6s期
间，三台充电桩对负载的输出功率p1、p2、p3与其线路电阻大小成反比。
[0162]
如图7和图8，在t＝6s时，第三台充电桩发生故障，随后将其切除，剩余两台第一台充电桩的输出电压u1与第二台充电桩的输出电压u2发生较小扰动并很快恢复稳定，公共母线电压u
dc
下降约1v，负载所需功率由两台充电桩共同提供。在t＝8s与t＝9s时，对第二辆汽车负载进行接入与切除，与三台充电桩系统协同运行相比，第一台充电桩的输出电压u1与第二台充电桩的输出电压u2扰动增大，并且两台充电桩的功率出力变化增大，在接入新负载时，公共母线电压u
dc
下降约3v。在t＝10s时，切除第二台充电桩，整个系统仅剩第一台充电桩工作，此时第一台充电桩的输出电压u1在发生小扰动后依旧稳定，并可为负载提供所需功率，然而公共母线电压u
dc
下降了约2v。在t＝12s与t＝13s时，接入与切除汽车负载，由图7、图8、图9的仿真结果可知，与多充电桩系统协同运行相比，单充电桩系统在发生负载变化时，输出电压的波动更大，功率出力变化量增大。并且新增负载后，公共母线电压值将下降约5v。
[0163]
仿真结果表明，与传统一桩多充的充电方式相比，面对汽车负载投切的情形，采用互联多充的充电桩系统控制效果更好，各充电桩电压波动较小，避免了功率出力的大幅度变化，能在一定程度上延长其使用寿命。最重要的是，多充电桩系统可有效降低线路电阻对公共母线电压的影响，保障充电过程高效进行，因而验证了本发明所提控制策略的性能优越性。不仅如此，当某一充电桩出现故障并切除时，剩余充电桩系统依旧可安全运行，从而验证了本发明所提控制策略的安全性。
[0164]
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种多台直流充电桩系统的协同控制方法，其特征在于：包括以下步骤，s1、比较多台直流充电桩系统中的第i个充电桩系统的直流侧电压u
i
与直流母线额定电压u
n
是否相等，若不相等，则进入下一步骤s2；若相等，则结束；s2、建立适用于直流充电桩系统的虚拟惯性控制策略；s3、对步骤s2建立的虚拟惯性控制策略中的虚拟参数包括虚拟惯性和虚拟阻尼系数进行分析，根据电压波动，得到自适应参数优化的虚拟惯性控制，并作为一次控制；s4、引入用于对负载变化造成的直流充电桩系统电压偏差做出整体响应的惯性中心电压，根据惯性中心电压，得出每台充电桩直流侧电压与惯性中心电压之间的相对电压偏差；s5、根据步骤s4得到的相对电压偏差，采用惯性中心协同控制对虚拟参数进行二次控制，利用对虚拟参数进行二次控制后的虚拟惯性控制作为电压外环，调节各充电桩的输入电能，用于稳定直流侧电压；s6、在虚拟惯性控制作为电压外环的基础上，利用反推法重新构造电流内环，输出pwm信号，实现多台直流充电桩的协同运行控制。2.如权利要求1所述的多台直流充电桩系统的协同控制方法，其特征在于：步骤s1中，建立适用于直流充电桩系统的虚拟惯性控制策略，具体为，s21、为直流充电桩系统增加虚拟电容，第i个充电桩系统中，虚拟电容两侧输入与输出电流关系表示为：其中，i
c.i
为虚拟电容输入电流；i
i
为系统输出电流；c
v.i
为第i个充电桩系统的虚拟电容值即第i个充电桩系统的的虚拟惯性值；为虚拟惯性控制输出的电压值；t为时间；s22、将虚拟电容的输入电流等效为额定电流与阻尼电流之差，得到第i个充电桩系统的控制策略为：其中，i
set
为系统流向直流侧的电流参考值，i
i
为系统输出电流，c
v.i
为虚拟电容值，d
i
为虚拟阻尼系数，u
i
为直流侧电压，为虚拟惯性控制输出的电压值；s23、引入电压-电流下垂控制，最终得到的虚拟惯性控制表达式为：其中，k
i
为下垂系数，u
n
为直流母线额定电压。3.如权利要求2所述的多台直流充电桩系统的协同控制方法，其特征在于：步骤s3中，得到自适应参数优化的虚拟惯性控制为：
其中，c
v.0
、d0分别为第i个充电桩系统的初始虚拟参数；du
i
/dt为第i个充电桩系统的电压变化率；m
1.i
、m
2.i
分别为正调节参数。4.如权利要求1-3任一项所述的多台直流充电桩系统的协同控制方法，其特征在于：步骤s4中，根据惯性中心电压，得出每台充电桩直流侧电压与惯性中心电压之间的相对电压偏差，具体为，s41、惯性中心电压u
c
为：其中，c
v.i
表示第i个充电桩系统的虚拟电容值，u
i
表示第i个充电桩系统的直流侧电压，c
t
表示充电桩系统惯性值，数值上等于每台充电桩系统虚拟惯性值之和；s42、得出每台充电桩直流侧电压与惯性中心电压之间的相对电压偏差：δu
r.i
＝u
i-u
c
其中，u
i
表示第i个充电桩系统的直流侧电压，u
c
表示惯性中心电压。5.如权利要求4所述的多台直流充电桩系统的协同控制方法，其特征在于：步骤s5中，根据步骤s4得到的相对电压偏差，采用惯性中心协同控制对虚拟参数进行二次控制，利用对虚拟参数进行二次控制后的虚拟惯性控制作为电压外环，调节各充电桩的输入电能，具体为，s51、根据步骤s4得到的相对电压偏差，采用惯性中心协同控制对虚拟参数进行二次控制：其中，c
v.i
表示第i个充电桩系统的虚拟电容值，d
i
为虚拟阻尼系数，c
v.0
、d0分别为第i个充电桩系统的初始虚拟参数，du
i
/dt为第i个充电桩系统的电压变化率，m
1.i
、m
2.i
分别为正调节参数，u
i
表示第i个充电桩系统的直流侧电压，u
n
为直流母线额定电压，n
1.i
和n
2.i
为正调节参数；dδu
r.i
/dt为相对电压偏差δu
r.i
的变化率；s52、利用对虚拟参数进行二次控制后的虚拟惯性控制作为电压外环，调节各充电桩的输入电能的方式为，在虚拟惯性控制基础上增加附加输入电流i
if.i
，将附加输入电流i
if.i
算作系统输出电流i
i
的一部分，此时，虚拟惯性控制表达式为：
其中，k
i
为下垂系数，u
n
为直流母线额定电压，u
i
为直流侧电压，i
i
为系统输出电流，c
v.i
为虚拟电容值，d
i
为虚拟阻尼系数，为虚拟惯性控制输出的电压值。6.如权利要求5所述的多台直流充电桩系统的协同控制方法，其特征在于：步骤s52中，附加输入电流i
if.i
的表达式为：其中，q
p
、q
d
和q
s
为第i个系统的比例、导数和积分正调节参数；为相对电压偏差变化率；∫δu
r.i
dt为相对电压偏差积分值。7.如权利要求1-3任一项所述的多台直流充电桩系统的协同控制方法，其特征在于：步骤s6中，利用反推法重新构造电流内环，具体为，s61、基于pi控制的电流内环在dq坐标系中表示为：其中，l
i
、r
i
为变压器与变流器之间的线路电感、电阻，e
d.i
、e
q.i
为交流侧电压在d、q轴的分量，ω
i
为交流侧频率，u
i
表示第i个充电桩系统的直流侧电压，s
d.i
、s
q.i
为开关信号，交流侧电流在旋转坐标系d、q轴的分量i
d.i
、i
q.i
的变化率表示为：s62、为实现充电桩系统电压跟踪控制，根据反推控制，定义误差，并构造lyapunov正定函数表达式，根据lyapunov渐近稳定性定理，设计第i个系统中重新构造的电流环开关信号s
d.i
、s
q.i
。8.如权利要求7所述的多台直流充电桩系统的协同控制方法，其特征在于：步骤s62中，定义误差，并构造lyapunov正定函数表达式，具体为，s621、定义误差e1、e2：其中，i
d.i
、i
q.i
为交流侧电流在旋转坐标系d、q轴的分量，为虚拟惯性控制得到的内环参考电流；数值为零；s622、构造lyapunov正定函数表达式：s622、构造lyapunov正定函数表达式：
其中，e1、e2为误差，v1、v2为构造的lyapunov函数；s623、根据lyapunov渐近稳定性定理，设计第i个系统中重新构造的电流环开关信号s
d.i
、s
q.i
为：为：其中，u
i
表示第i个充电桩系统的直流侧电压，l
i
、r
i
为变压器与变流器之间的线路电感、电阻；i
d.i
、i
q.i
为交流侧电流在旋转坐标系d、q轴的分量；e
d.i
、e
q.i
为交流侧电压在d、q轴的分量；ω
i
为交流侧频率；为虚拟惯性控制得到的内环参考电流；d1、d2为大于零的常数。

技术总结
本发明提供一种多台直流充电桩系统的协同控制方法，通过比较第i个充电桩系统的直流侧电压与直流母线额定电压是否相等，若不相等，则建立适用于直流充电桩系统的虚拟惯性控制策略；得到自适应参数优化的虚拟惯性控制，并作为一次控制；得出每台充电桩直流侧电压与惯性中心电压之间的相对电压偏差；采用惯性中心协同控制对虚拟参数进行二次控制；利用反推法重新构造电流内环，输出PWM信号，实现多台直流充电桩的协同运行控制；该方法能够优化多充电桩系统协同控制效果，能够在负载投切时有效地稳定直流充电桩输出电压，能够为直流系统提供足够的惯性和阻尼支撑，有效提高动态性能与电压抗扰动能力，从而充分保障充电过程的稳定。定。定。


技术研发人员：王鹏 杨成顺 黄宵宁
受保护的技术使用者：南京工程学院
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/7/6