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

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燃油汽車具有清潔、低噪聲的優勢，但在接入電網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，在電網并入大容量充電站后的負荷調節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電壓、電流調節控制要求，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、輸出負載控制調節的方案；王林艷，岳秀梅[5]提出構造LC 電容型濾波網絡方式，調節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求取、動態充電電壓調節，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，該充電系統通過三相整流電路與大電網連接，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，具體的充電站網絡拓撲結構如圖1所示。[1]

圖1 新能源汽車充電站網絡拓撲結構

按照國家電網規定的快充樁規格，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的導數項為零、使用PI調節器將電網電壓合成為通用量，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、KIi表示無功(q)電流iq的積分系數，Ipref和Iqref分別表示有功(p)、無功(q)電流的指令值。若不考慮大電網電壓的波動情況，則在電網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、電流的系統控制穩定性，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。根據三相PWM 整流器的網絡拓撲結構、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]同時根據充電站多個直流變換器并聯的共直流母線結構，將可變電阻負載進行并聯以控制充電功率的變化，經過平均仿真模型、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。根據充電站內新能源汽車的不同電池規格，使用等效輸入阻抗模型設置等值整流器、DC-DC變換器的并聯結構，若充電接入的新能源汽車電池規格相同，則將等值整流器、DC-DC變換器聚合為一群，否則根據新能源汽車電池的不同規格進行分群聚合，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為單個整流器阻抗參數的1/n，DC-DC變換器等值模型的電感參數為單個變換器電感參數的1/n，DC-DC變換器電容參數為單個變換器電容參數的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格電池的荷電狀態(SOC)計算公式如式4。

充電站分群聚合等值模型并網點流過的有功功率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電壓、電流調節策略

在不同電池規格的新能源汽車大規模接入電網后，大電網本身負荷增加會導致配網電壓出現不穩定波動問題，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，以保證動態電壓的穩定性。[5]當充電站處于較少新能源汽車接入時、配電網電壓為低負荷狀態，此時電網變壓器會產生不同程度的電感，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，合理調整控制系統電路的動態電壓、電流變化情況，以達到吸收或發出無功功率來控制充電功率的效果，具體的電壓環、電流環穩態控制框圖如圖6所示。

圖6 充電站充電功率控制的電壓環、電流環穩態框圖

圖7 基于簡化等值模型、聚合等值模型的并網電壓、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

根據公安部公布的數據，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，可計算得出小區內的新能源汽車數量為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，根據電池規格不同提供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量分別為10、7、6、4、3臺，按照不同規格對充電汽車進行分群聚合。假定初始時刻有10 輛規格為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態時的等值精度更高，在暫態負載突變過程中由于舍去DCDC變換器，對于無功功率吸收、動態電壓控制的響應速度更快，但并網點有功功率、電流變化的暫態響應存在較大偏差；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、電壓的動態調節控制優勢，可被用于配電網汽車充電接入后的電壓、功率控制，且在穩態時的電壓和功率控制精度高于暫態控制精度。

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求取、動態充電電壓調節，實現充電站電壓、負荷功率調節控制的安全性。