基于平均仿真、等效输入阻抗模型的新能源汽车充电控制系统

王少愚

（江汉大学智能制造学院，湖北 武汉 430056）

1 引言

新能源汽车相比传统燃油汽车具有清洁、低噪声的优势，但在接入电网充电站时则需要考虑高频功率变换电路的电流、电压供应负荷，在电网并入大容量充电站后的负荷调节成为新能源汽车充电控制关注的主要问题。针对新能源汽车充电动态电压、电流调节控制要求，史永胜，李利[4]提出采用倍流整流电路、饱和谐振电感、增加二极管钳位电路等方式，对主电路参数、输出负载控制调节的方案；王林艳，岳秀梅[5]提出构造LC 电容型滤波网络方式，调节DC/DC 移相全桥变换器的滤波电感为初级、降低次级二极管的电流变化，验证汽车不同充电模态下的电压增益；王耀[1]提出新能源汽车充电站分群、聚合建设方案，比较充电站恒压、恒流充电模式的运行工况选择更为合理的充电策略、功率负荷控制方式。

新能源汽车充电站的共直流母线结构，是利用固定的非车载充电机为汽车提供直流供电，充电过程中需用到的PWM整流器更少、充电速度更快，在汽车电能达到80%后充电站电流逐渐下降直至充电完成，由此可保证充电速度的同时延长电池使用寿命。对此，本文研究在新能源汽车大功率充电场景下的充电站模型建构，采用平均仿真、等效输入阻抗模型进行充电站结构简化与聚合，使用可变电阻负载输入阻抗等效的方法，对汽车不同电池规格接入充电站的情况，使用忽略DC-DC变换器的模型分群聚合方案，采用“电压下垂+无功功率”支持相结合方式进行充电站等值参数求取、动态充电电压调节，完成充电功率的负荷控制，保证新能源汽车充电电压、充电运行负荷功率的调节与控制质量。

2 新能源汽车充电的共直流母线结构模型

新能源汽车充电站主要利用地面上固定的充电机设备充电，该充电系统通过三相整流电路与大电网连接，通过前级高频逆变电路、后级高频变压器和DC-DC 变换器与汽车电池连接，具体的充电站网络拓扑结构如图1所示。[1]

图1 新能源汽车充电站网络拓扑结构

按照国家电网规定的快充桩规格，设置共直流母线充电的额定电压为380V、最大电流为50A、最大输出功率为19kW，但并非一直维持最大电流充电，而是在电池电能达到80%后逐渐降低充电电流直至电池满电，整个快充充电时长约为2～3小时。其中三相PWM整流器用于整流电路内充电功率控制，采用多电平控制方式建立充电站前级AC-DC 模块的等效电路模型（如图2），设定电网三相电压、整流器输入电流/电压建立电路微分方程如式1。

图2 充电站前级AC-DC模块的等效电路模型

其中va、vb、vc表示电网三相电压，ia、ib、ic表示整流器输入电流，ua、ub、uc表示整流器输入电压，rL、L分别表示整流电路电阻和电感。给定直流母线电压参考值，有功(p)、无功(q)的电流ip和iq需要采用前馈解耦方式进行控制，使公式1的导数项为零、使用PI调节器将电网电压合成为通用量，得到直流母线up、uq处的电压控制方程为式2。

KPi表示有功(p)电流ip的比例系数、KIi表示无功(q)电流iq的积分系数，Ipref和Iqref分别表示有功(p)、无功(q)电流的指令值。若不考虑大电网电压的波动情况，则在电网vd为定值时输送的有功功率和无功功率，通常与输送有功(p)、无功(q)电流成正比，表明通过控制ip，iq电流可完成整流器有功、无功功率的控制，更符合新能源汽车直流充电的实际工况。

3 基于平均仿真、等效输入阻抗模型技术的汽车充电站结构模型简化与聚合

3.1 基于平均仿真模型、等效输入阻抗模型的汽车充电站结构简化

由于新能源汽车充电站采用大功率快充模式，为不同规格的汽车电池提供充电服务，因而搭建的充电站结构模型中PWM 整流器、ZVS 移相全桥直流变换器均为全桥结构。若充电站内包含多个充电机，则充电站结构模型中也需要设置多个开关控制器件，这将影响新能源汽车充电电压、电流的系统控制稳定性，所以需要对充电站结构模型的部分构件进行简化。[2]

采用平均模型的电压源、电流源开关管替代开关控制器件，根据三相PWM 整流器的多个桥臂开关管交替导通的控制逻辑，设置等效三相PWM整流器桥臂的单刀双掷开关，用sφp和sφq表示p、q通路的开关断开与连通，且sφp+sφq=1。根据三相PWM 整流器的网络拓扑结构、等效三相PWM 整流器桥臂的单刀双掷开关结构（如图3），可得出电网开关处输入电压vφ、PWM整流器输入电流iφ的计算公式如式3。

图3 等效三相PWM整流器桥臂的单刀双掷开关结构

其中dφ表示开关控制器件占空比、Vdc表示直流母线电压。对于PWM 整流器后级连接的DC-DC 变换器则采用等效输入阻抗模型，用可变电阻负载替代电池负载、将DC-DC变换器等效为滤波器，使得电池充电功率与负载电阻值存在正相关关系，也即随着充电过程中负载电阻值的变化而变化。[3]同时根据充电站多个直流变换器并联的共直流母线结构，将可变电阻负载进行并联以控制充电功率的变化，经过平均仿真模型、等效输入阻抗模型简化后的汽车充电站结构如图4所示。

3.2 基于等效输入阻抗模型的新能源汽车充电站结构聚合

新能源汽车充电站内包含多台充电机情况下，使用等效输入阻抗模型对原有的充电站结构进行聚合。根据充电站内新能源汽车的不同电池规格，使用等效输入阻抗模型设置等值整流器、DC-DC变换器的并联结构，若充电接入的新能源汽车电池规格相同，则将等值整流器、DC-DC变换器聚合为一群，否则根据新能源汽车电池的不同规格进行分群聚合，具体的分群模型聚合结果如图5所示。[4]

图5 新能源汽车充电站分群聚合模型结构

从图5 可以看出，整流器、DC-DC 变换器在分群等值前后，其共直流母线上的电压、电流应遵循Ueq=U、Ieq=的原则，U和Ueq分别表示等值前后的共直流母线电压值，Ii和Ieq分别表示等值前后的共直流母线电流值。此时整流器等值模型的阻抗参数为单个整流器阻抗参数的1/n，DC-DC变换器等值模型的电感参数为单个变换器电感参数的1/n，DC-DC变换器电容参数为单个变换器电容参数的n倍，变压器电压为单个变换器电压的n倍，同一分群内具有相同规格电池的荷电状态(SOC)计算公式如式4。

充电站分群聚合等值模型并网点流过的有功功率Peq、无功功率Qeq，通常为所有充电机充电功率、损耗功率之和，计算公式如式5。

4 新能源汽车充电站动态电压、电流调节策略

在不同电池规格的新能源汽车大规模接入电网后，大电网本身负荷增加会导致配网电压出现不稳定波动问题，因而需要对变压器、充电站整流器的有功/无功功率进行调节，以保证动态电压的稳定性。[5]当充电站处于较少新能源汽车接入时、配电网电压为低负荷状态，此时电网变压器会产生不同程度的电感，流入充电站整流器的电流、电压存在相位差，电能在变压器中会建立磁场反向的无功功率，导致电压抬升越限。

在充电站电压降低程度较小时，如直流母线电压标幺值(per unit)为0.97p.uU，则充电站不存在无功功率；若电压标幺值下降至0.94～0.97p.uU 时，则针对变压器、充电站整流器的过流限制范围发出最大无功功率，对应的电路电压变化、无功功率计算公式如式6。

kq表示无功功率功率的控制斜率，若无功功率较大时仍不能保证充电站母线电压的提升，则需考虑控制大电网总电压、减小充电站充电功率的方式，来提升充电站母线电压。通常在母线电压标幺值下降为0.95p.uU时，按照kq控制斜率削减充电站的充电功率，对应的计算公式如式7。

其中Ppre表示电压标幺值下降为0.95p.uU前一时刻的充电功率，在电压标幺值大于0.95p.uU并抬升至1.03p.uU时，贮存的磁场能量再返回至充电站电源，充电站将吸收返回的无功功率。此时将充电站内所有充电机的有功和无功功率，以及新能源汽车充电时的有功(p)电流、无功(q)电流设定在如下式8的控制范围内。

其中S表示变压器最大功率，ip和iq分别表示有功电流、无功电流。因此充电站内充电机的有功功率P、无功功率Q，可通过ip、iq的电流进行控制。根据充电站内汽车电池的充电功率需求，使用电压源、电流源开关管PWM整流器在p、q通路的断开与连通，合理调整控制系统电路的动态电压、电流变化情况，以达到吸收或发出无功功率来控制充电功率的效果，具体的电压环、电流环稳态控制框图如图6所示。

图6 充电站充电功率控制的电压环、电流环稳态框图

图7 基于简化等值模型、聚合等值模型的并网电压、电流、有功和无功功率变化情况

5 仿真实验及结果分析

5.1 仿真实验指标设置

根据公安部公布的数据，截至2022年底全国新能源汽车保有量达到1310 万辆，占汽车总量的4.10%，若普通住宅小区内存在350户家庭、每户家庭3口人，按照25%的新能源汽车渗透率，可计算得出小区内的新能源汽车数量为350÷3×25%≈30辆，则在充电站内配置30台充电机即可满足需求。

设置充电站采用10kV 的大电网电压供电，通过变压器变压到400V 为充电机共直流母线供电。[6]新能源汽车充电机的额定电压为300～500V，根据电池规格不同提供400V-80A、400V-125A、400V-200A、500V-200A、500V-250A等多种充电方案，使用不同充电方案的汽车数量分别为10、7、6、4、3台，按照不同规格对充电汽车进行分群聚合。假定初始时刻有10 辆规格为400V-80A 的新能源汽车接入充电，充电负荷约为300kW；随后在0.5min 后有4 辆规格为400V-125A 的汽车电池接入，分群负荷约为200kW；1min 后又有2 辆规格为500V-200A的汽车电池接入，分群负荷约为190kW。

5.2 实验结果分析

采用平均仿真模型、等效输入阻抗模型，搭建含有数十台充电机的充电站简化模型、分群聚合模型，其中充电站简化模型内包含1台PWM整流器、5台DC-DC变换器，充电站分群聚合模型内包含1台PWM整流器、1个等效输入阻抗可变电阻，比较这一新能源汽车接入充电过程中简化等值模型、聚合等值模型的并网电压、电流、有功和无功功率变化情况，得到如表1、图3的仿真结果。

表1 基于简化等值模型、聚合等值模型的并网电压、电流、有功和无功功率变化情况

从表1、图3的仿真结果可得出，采用简化等值模型在稳态时的等值精度更高，在暂态负载突变过程中由于舍去DCDC变换器，对于无功功率吸收、动态电压控制的响应速度更快，但并网点有功功率、电流变化的暂态响应存在较大偏差；采用聚合等值模型在有功功率、无功功率吸收利用的响应精度更高，响应曲线更接近充电站内充电机实际运行的功率变化、电压和电流曲线，因而两种模型基本保留充电站电流、电压的动态调节控制优势，可被用于配电网汽车充电接入后的电压、功率控制，且在稳态时的电压和功率控制精度高于暂态控制精度。

6 结语

新能源汽车充电连通包括共直流母线连接、共交流母线连接等方式，采用共直流母线结构的充电站所需PWM 整流器更少、充电速度更快，可为不同电池规格的新能源汽车提供充电服务。本文采用平均模型、等效输入阻抗模型作出充电站结构简化与聚合，搭建涵盖PWM整流器、移相全桥直流变换器的充电站等值模型，对汽车不同电池规格接入充电站的情况使用模型分群聚合方案，完成充电站等值参数求取、动态充电电压调节，实现充电站电压、负荷功率调节控制的安全性。