基于MMC的规模化电动汽车集群系统及其控制方法

摘要

本发明公开了一种基于MMC的规模化电动汽车集群系统及其控制方法，其特征是三个由电抗器、H桥模块和子模块构成的相单元经过LC滤波器连接于交流电网作为基于MMC的规模化电动汽车集群系统的拓扑结构，通过各电动汽车初始荷电状态、用户设定停留时间和期望荷电状态计算虚拟荷电状态，按照虚拟荷电状态排序确定各载波信号产生的驱动信号驱动对应的电动汽车所在子模块，实现连接于子模块的电动汽车充放电功率按用户需求差异化控制，并且在电网侧实现三相功率平衡和单位功率因数控制。本发明集成程度高、模块化程度高、效率高、谐波畸变小、开关损耗低，容错能力强、各相桥臂内子模块可实现独立控制。

说明书

技术领域

本发明涉及电动汽车集群领域，应用于大规模电动汽车充电站、电动汽车到电网 (Vehicle-to-grid，V2G)的实现等场合，具体地说是涉及一种基于MMC的规模化电动汽车 集群系统及其控制方法。

背景技术

因电动汽车(ElectricVehicle,EV)零污染的特点，预见未来十年电动汽车将大规模发展。 电动汽车大规模接入电网，将对传统电网带来一系列的负面影响，例如增加分布式网络了峰 值负荷，增加电网潮流不确定性，增加电网谐波污染，影响分布式发电的调度计划。因此研 究如何规模化集成EV，最大限度降低其对电网的影响；让EV在未来电网中充当储能装置， 为大电网提供稳定频率等辅助服务，也必将有很大的现实意义。

为了充分利用集群电动汽车对智能电网的辅助服务作用，同时满足用户的用车需求，需 考虑硬件和软件两个方面。硬件方面需要一个高效、可集成大规模集群电动汽车的拓扑结构； 软件方面需要一个能量管理系统，实现电动汽车对电网充放电合理化管理。现有的电动汽车 高效集成拓扑一般根据电动汽车连接的母线不同分为三类：直流母线集成、交流母线集成和 交直流母线混合集成。其中一种方法是，电动汽车通过DC/DC变换器，并联集成于直流母线 上，这种方法可以集中控制利于协调，但是需要增加一个中央AC/DC控制器与电网相连接， 该结构在电动汽车充放电过程中实际上要经过两级功率变换，效率低；另一种方法是，电动 汽车通过AC/DC变换器在交流母线上并联连接的集成方式，这类方法易于系统扩展，但是需 要采取分散控制方法，不利于系统的协调控制。综上所述，这些拓扑及控制策略主要关注于 电动汽车的集成和电网的调度要求，鲜有考虑用户需求。当电动汽车大规模集合成时，集群 系统中的用户为满足自身需求可能会降低系统的辅助服务能力，甚至导致“峰上加峰”的现 象。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种基于MMC的规模化电动汽车集 群系统及其控制方法，实现个体电动车充放电功率差异化控制。控制对象是基于MMC的规 模化电动汽车集群系统，通过采集电动汽车接入基于MMC的规模化电动汽车集群系统时的 初始荷电状态SOC_0ij、用户设定停留时间t_ij和期望荷电状态SOC_ij，按照虚拟荷电状态V-SOC_ij排序确定各个电动汽车对应的载波信号，实现电汽车充放电功率按需分配的目的，并保证 MMC系统三相输出功率的平衡。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于MMC的规模化电动汽车集群系统的特点是：三个相单元分别经过LC滤波 器连接到交流侧电网，所述相单元由上下两个桥臂单元构成，所述桥臂单元由一个电抗器La、 一个H桥模块和n个相同的子模块串联组成；所述H桥模块是由四个带有反并联二极管的全 控功率器件SH1、SH2、SH3、SH4和电容器C组成，其中全控功率器件SH1和全控功率器 件SH2的集电极相连接于直流电源正极，全控功率器件SH3和全控功率器件SH4的发射极 相连接于直流电源负极，全控功率器件SH1发射极与全控功率器件SH3集电极相连并连接在 电容器C的一端作为H桥模块的正端子，全控功率器件SH2发射极与全控功率器件SH4集 电极相连并连接在电容器C的另一端作为H桥模块的负端子；所述H桥模块以全控功率器件 的栅极接受来自外部设备的驱动信号，实现通断；所述子模块是由带有反并联二极管的全控 功率器件S1、S2和一个电动汽车直流充电接口组成；其中，全控功率器件S1的集电极与电 动汽车直流充电接口的正极相连，全控功率器件S1的发射极与全控功率器件S2的集电极相 连作为子模块的正端子，全控功率器件S2的发射极与电动汽车直流充电接口的负极相连作为 子模块的负端子，全控功率器件S1和S2的栅极分别接受来自外部设备的外部驱动信号作为 子模块驱动信号，实现子模块通断；所述全控功率器件S1和S2的外部驱动信号互补；所述 子模块的工作方式为：

控制所述全控功率器件S1为导通、全控功率器件S2为关断，电动汽车被接入桥臂单元， 实现电动汽车的投入；控制所述全控功率器件S1为关断、全控功率器件S2为导通，电动汽 车从桥臂单元被旁路，实现电动汽车的切除；

通过控制每个桥臂单元中子模块的工作方式，可以控制电动汽车投入和切除的数量，实 现对桥臂单元输出电压的控制；所述子模块驱动信号是根据载波分配调制策略对每个子模块 进行SPWM调制获得。

本发明基于MMC的规模化电动汽车集群系统的特点也在于：所述子模块驱动信号是按 如下方式根据载波分配调制策略对每个子模块进行SPWM调制获得：

(1)按如下方式获得各桥臂单元的调制波信号v_refa

对所述规模化电动汽车集群系统的交流侧电网的并网电流i_abc进行采样，根据Park变换 理论，将采样获得的并网电流i_abc变换成以电网电压矢量定向的同步旋转坐标下的直轴分量 和交轴分量，所述直轴分量即为有功电流i_d，所述交轴分量即为无功电流i_q；通过锁相环PLL 获得电网电压的矢量角将所述有功电流i_d和无功电流i_q分别与设定的有功电流给定值i_dref和无功电流给定值i_qref进行比较，得到的差值分别经PI调节器形成变换器输出电压直轴指令 值v_dref和交轴指令值v_qref，其中，有功电流给定值i_dref由功率外环获得，为实现单位功率因数 将无功电流给定值i_qref设置为零；所述基于MMC的规模化电动汽车集群系统采用载波分配 调制策略进行SPWM控制，将所述电压直轴指令值v_dref和交轴指令值v_qref经过反PARK变换， 得到各桥臂单元的调制波信号v_refa；

(2)在所述载波分配调制策略中采用按如下方式产生三角载波信号：

设定所述规模化电动汽车集群系统中每个桥臂单元同时连接有n台电动汽车，则对应设 置n个层叠的三角载波信号从底层到顶层依次为C1，C2，C3，…,Cn，各三角载波信号的 峰峰值均为1/n，上层与下层相邻的三角波间隔1/n，各三角载波信号产生的SPWM控制信号 与各电动汽车一一对应，用于控制对应电动汽车的充放电状态及充放电功率大小。

本发明基于MMC的规模化电动汽车集群系统的控制方法的特点是：根据接入所述基于 MMC的规模化电动汽车集群系统中的电动汽车的初始荷电状态SOC_0ij、用户设定停留时间t_ij以及期望荷电状态SOC_ij，在所述基于MMC的规模化电动汽车集群系统的充电/放电状态下 采用载波分配调制策略实现个体电动车充电/放电功率差异化控制。

本发明基于MMC的规模化电动汽车集群系统的控制方法的特点也在于：所述个体电动 车放电功率差异化控制按如下步骤进行：

步骤1、通过电动汽车的能量管理系统，获得各电动汽车的初始荷电状态SOC_0ij、用户 设定停留时间t_ij和期望荷电状态SOC_ij，按式(1)计算获得各电动汽车的虚拟荷电状态V-SOC_ij：

V_SOC_ij＝(SOC_ij-SOC_0ij)/t_ij(1)

其中i，j表示第i桥臂第j台电动汽车，即SOC_0ij、t_ij、SOC_ij和V-SOC_ij分别表达为第i 桥臂第j台电动汽车的初始荷电状态、用户设定停留时间、期望荷电状态以及虚拟荷电状态；

步骤2、针对各电动汽车的虚拟荷电状态的大小定时进行升序排序，并按所述升序排序 设定虚拟荷电状态序号D1..Dn，在没有电动汽车退出时以5分钟为时间间隔定时进行升序排 序，在出现有电动汽车退出时随及进行升序排序；获得虚拟荷电状态序号D1、虚拟荷电状态 序号D2…虚拟荷电状态序号Dn的虚拟荷电状态序列；

步骤3、当基于MMC的所述规模化电动汽车集群系统处于充电状态时，按如下方式调 整产生各电动车所在子模块驱动信号所对应的三角载波信号：

将序号为D1..Dn的虚拟荷电状态与三角载波信号C1，C2，C3，…,Cn一一对应；

以三角载波信号C1产生的控制信号作为与序号为Dn的虚拟荷电状态所对应的电动汽车 所在子模块的驱动信号；以三角载波信号C2产生的控制信号作为与序号为Dn-1的虚拟荷电 状态所对应的电动汽车所在子模块的驱动信号；以三角载波信号C3产生的控制信号作为与 序号为Dn-2的虚拟荷电状态所对应的电动汽车所在子模块的驱动信号；……；以三角载波信 号Cn产生的控制信号作为与序号为D1的虚拟荷电状态所对应的电动汽车所在子模块的驱动 信号；

当基于MMC的所述规模化电动汽车集群系统处于放电状态时，按如下方式调整产生各 电动车所在子模块驱动信号所对应的三角载波信号：

将序号为D1..Dn的虚拟荷电状态和三角载波信号C1，C2，C3，…,Cn一一对应，

以三角载波信号C1产生的控制信号作为与序号为D1的虚拟荷电状态所对应的电动汽车 所在子模块的驱动信号；以三角载波信号C2产生的控制信号作为与序号为D2的虚拟荷电状 态所对应的电动汽车所在子模块的驱动信号；以三角载波信号C3产生的控制信号作为与序 号为D3的虚拟荷电状态所对应的电动汽车所在子模块的驱动信号；……；以三角载波信号 Cn产生的控制信号作为与序号为Dn的虚拟荷电状态所对应的电动汽车所在子模块的驱动信 号。

本发明基于MMC的规模化电动汽车集群系统的控制方法的特点也在于，按如下方法控 制电动汽车所在子模块的投入或切除：若调制波信号大于载波信号，对应于所述载波信号的 电动汽车子模块被投入；否则电动汽车所在子模块被切除；

本发明基于MMC的规模化电动汽车集群系统的控制方法的特点也在于：通过设置桥臂 单元冗余子模块数量增加所述基于MMC的规模化电动汽车集群系统的冗余度和可靠性，保 证所述系统的三相功率平衡；所述冗余子模块按如下方法进行设置：根据电动汽车直流充电 接口电压和交流系统电压等级按如下式(2)计算获得所述桥臂单元最少充电接口数q：

$q=\frac{U_g}{U_{ev}}\times \frac{1}{m}---\left(2\right)$

式(2)中，U_g表示检测获得的交流侧电网线电压幅值，U_ev表示设定的电动汽车充电接口 额定电压，m表示调制度，m的取值范围为0～1，可以取为0.8；设置桥臂单元冗余子模块数 量的冗余度为10％，则桥臂单元子模块数量x为：x＝q×(1+10％)。

本发明基于MMC的规模化电动汽车集群系统的控制方法的特点也在于：所述H桥模块 的控制方式为：

令H桥模块的调制波信号为v_href，则v_href＝v_refa-∑v_ev

其中：∑v_ev为检测获得的桥臂单元中有电动汽车投入的所有子模块的电压之和；所述 H桥模块的载波信号为三角波；

若H桥模块调制波信号大于H桥模块载波信号，则H桥模块中全控功率开关SH1和全 控功率开关SH3导通，全控功率开关SH2和全控功率开关SH4关断；

若H桥模块调制波信号小于H模块桥载波信号，则H桥模块中全控功率开关SH2和全 控功率开关SH4导通，全控功率开关SH1和全控功率开关SH3关断。

与现有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明基于MMC的规模化电动汽车集群系统具有集成程度高、模块化程度高、效率 高、谐波畸变小、开关损耗低，容错能力强、各相桥臂内子模块可实现独立控制等硬件特点。

2、本发明基于MMC的规模化电动汽车集群系统充放电功率分配方法可以实现既满足用 户需求又可以利用电动汽车为电网提供稳定频率、支撑电压、消峰填谷等辅助服务功能。

3、本发明只是进行桥臂单元内子模块投入时间的重新分配，并不影响各个桥臂对外的输 出，因此控制简单可以直接利用成熟的逆变器控制方法。

4、本发明保证基于MMC的规模化电动汽车集群系统输出的三相功率平衡，不仅为电动 汽车提供了灵活的充放电控制需求，同时保证了其输出的电能质量，为规模化电动汽车与电 网之间提供了友好、弹性的接口。

表1为本发明中一种充电实施例下，其中A相上桥臂5台电动汽车初始荷电状态SOC_0ij值及预期放电时间

表2为本发明中一种放电实施例下，其中A相上桥臂5台电动汽车初始荷电状态SOC_0ij值及预期充电时间

附图说明

图1为本发明中MMC的规模化电动汽车集群系统拓扑图；

图1a为本发明中子模块的结构图；

图1b为本发明中H桥模块的结构图；

图2a为本发明中MMC的规模化电动汽车集群系统控制框图；

图2b为本发明中电流控制器的结构；

图3为本发明中充放电功率差异化控制流程图；

图4为本发明中载波信号分配示意图；

图5为本发明仿真形式下A相上桥臂5台电动汽车充电时实时荷电状态SOC曲线；

图6为本发明仿真形式下A相上桥臂5台电动汽车充电时虚拟荷电状态V-SOC曲线；

图7为本发明仿真形式下A相上桥臂5台电动汽车充电时平均功率曲线；

图8为本发明仿真形式下A相上桥臂5台电动汽车放电时实时荷电状态SOC曲线；

图9为本发明仿真形式下A相上桥臂5台电动汽车放电时虚拟荷电状态V-SOC曲线；

图10为本发明仿真形式下A相上桥臂5台电动汽车放电时平均功率曲线；

图11为本发明仿真形式下充电状态下交流电网侧的输出电流波形；

图12为本发明仿真形式下放电状态下交流电网侧的输出电流波形；

具体实施方式

参见图1，本实施例中基于MMC的规模化电动汽车集群系统的结构形式是：三个相单 元分别经过LC滤波器连接到交流侧电网，相单元由上下两个桥臂单元构成，桥臂单元由一 个电抗器La、一个H桥模块和n个相同的子模块串联组成；参见图1a，本实施例中H桥模 块是由四个带有反并联二极管的全控功率器件SH1、SH2、SH3、SH4和电容器C组成，其 中全控功率器件SH1和全控功率器件SH2的集电极相连接于直流电源正极，全控功率器件 SH3和全控功率器件SH4的发射极相连接于直流电源负极，全控功率器件SH1发射极与全控 功率器件SH3集电极相连并连接在电容器C的一端作为H桥模块的正端子，全控功率器件 SH2发射极与全控功率器件SH4集电极相连并连接在电容器C的另一端作为H桥模块的负 端子；H桥模块以全控功率器件的栅极接受来自外部设备的驱动信号，实现通断；参见图1b， 本实施例中子模块是由带有反并联二极管的全控功率器件S1、S2和一个电动汽车直流充电接 口组成；其中，全控功率器件S1的集电极与电动汽车直流充电接口的正极相连，全控功率器 件S1的发射极与全控功率器件S2的集电极相连作为子模块的正端子，全控功率器件S2的 发射极与电动汽车直流充电接口的负极相连作为子模块的负端子，全控功率器件S1和S2的 栅极分别接受来自外部设备的外部驱动信号作为子模块驱动信号，实现子模块通断；全控功 率器件S1和S2的外部驱动信号互补；子模块的工作方式为：

控制全控功率器件S1为导通、全控功率器件S2为关断，电动汽车被接入桥臂，实现电 动汽车的投入；控制全控功率器件S1为关断、全控功率器件S2为导通，电动汽车从桥臂被 旁路，实现电动汽车的切除。

通过控制每个桥臂单元中子模块的工作方式，可以控制电动汽车投入和切除的数量，实 现对桥臂单元输出电压的控制；子模块驱动信号是根据载波分配调制策略对每个子模块进行 SPWM调制获得。

本实施例子模块驱动信号是按如下方式根据载波分配调制策略对每个子模块进行SPWM 调制获得：

(1)如图2a所示，按如下方式获得各桥臂单元的调制波信号v_refa

对规模化电动汽车集群系统的交流侧电网的并网电流i_abc进行采样，根据Park变换理论， 将采样获得的并网电流i_abc变换成以电网电压矢量定向的同步旋转坐标下的直轴分量和交轴 分量，直轴分量即为有功电流i_d，交轴分量即为无功电流i_q；通过锁相环PLL获得电网电压 的矢量角如图2b所示，将有功电流i_d和无功电流i_q分别与设定的有功电流给定值i_dref和 无功电流给定值i_qref进行比较，得到的差值分别经PI调节器形成变换器输出电压直轴指令值 v_dref和交轴指令值v_qref，其中，有功电流给定值i_dref由功率外环获得，为实现单位功率因数将 无功电流给定值i_qref设置为零；基于MMC的规模化电动汽车集群系统采用载波分配调制策 略进行SPWM控制，将电压直轴指令值v_dref和交轴指令值v_qref经过反PARK变换，得到各桥 臂单元的调制波信号v_refa。

(2)在载波分配调制策略中采用按如下方式产生三角载波信号：

设定规模化电动汽车集群系统中每个桥臂单元同时连接有n台电动汽车，则对应设置n 个层叠的三角载波信号从底层到顶层依次为C1，C2，C3，…,Cn，各三角载波信号的峰峰 值均为1/n，上层与下层相邻的三角波间隔1/n，各三角载波信号产生的SPWM控制信号与各 电动汽车一一对应，用于控制对应电动汽车的充放电状态及充放电功率大小。

本实施例中基于MMC的规模化电动汽车集群系统的控制方法是：根据接入基于MMC 的规模化电动汽车集群系统中的电动汽车的初始荷电状态SOC_0ij、用户设定停留时间t_ij以及 期望荷电状态SOC_ij，在基于MMC的规模化电动汽车集群系统的充电/放电状态下采用载波 分配调制策略实现个体电动车充电/放电功率差异化控制。

如图3所示，本实施例中个体电动车放电功率差异化控制按如下步骤进行：

步骤1、通过电动汽车的能量管理系统，获得各电动汽车的初始荷电状态SOC_0ij、用户 设定停留时间t_ij和期望荷电状态SOC_ij，按式(1)计算获得各电动汽车的虚拟荷电状态V-SOC_ij：

V_SOC_ij＝(SOC_ij-SOC_0ij)/t_ij(1)

其中i，j表示第i桥臂第j台电动汽车，即SOC_0ij、t_ij、SOC_ij和V-SOC_ij分别表达为第i 桥臂第j台电动汽车的初始荷电状态、用户设定停留时间、期望荷电状态以及虚拟荷电状态。

虚拟荷电状态V-SOC大于零则说明电动汽车需要充电，虚拟荷电状态V-SOC越大说明电 动汽车充电的需求越积极；虚拟荷电状态V-SOC小于零则说明电动汽车允许放电，虚拟荷电 状态V-SOC越小说明电动汽车允许放电能力越大。

步骤2、针对各电动汽车的虚拟荷电状态的大小定时进行升序排序，并按升序排序设定 虚拟荷电状态序号D1..Dn，在没有电动汽车退出时以5分钟为时间间隔定时进行升序排序， 在出现有电动汽车退出时随及进行升序排序；获得虚拟荷电状态序号D1、虚拟荷电状态序号 D2…虚拟荷电状态序号Dn的虚拟荷电状态序列。

本实施例中虚拟荷电状态排序后载波产生驱动信号与电动汽车对应关系如图4所示，为 了简化说明以其中同桥臂任意5个子模块对应电动汽车编号为SM1，SM2，SM3，SM4，SM5， 它们的虚拟荷电状态分别简化记为对应为V-SOC1，V-SOC2，V-SOC3，V-SOC4，V-SOC5并 且虚拟荷电状态值有如下关系V-SOC1＜V-SOC2＜V-SOC3＜V-SOC4＜V-SOC5，那么获得升序 排序序号为，D1＝1,D2＝2,D3＝3,D4＝4,D5＝5。图4中(a)为放电状态下的载波信号分配示意图， 图4中(b)为充电状态下的载波信号分配示意图，图4中(c)不同载波信号对应的驱动脉冲。

步骤3、当基于MMC的规模化电动汽车集群系统处于充电状态时，按如下方式调整产 生各电动车所在子模块驱动信号所对应的三角载波信号：

将序号为D1..Dn的虚拟荷电状态与三角载波信号C1，C2，C3，…,Cn一一对应。

以三角载波信号C1产生的控制信号作为与序号为Dn的虚拟荷电状态所对应的电动汽车 所在子模块的驱动信号；以三角载波信号C2产生的控制信号作为与序号为Dn-1的虚拟荷电 状态所对应的电动汽车所在子模块的驱动信号；以三角载波信号C3产生的控制信号作为与 序号为Dn-2的虚拟荷电状态所对应的电动汽车所在子模块的驱动信号；……；以三角载波信 号Cn产生的控制信号作为与序号为D1的虚拟荷电状态所对应的电动汽车所在子模块的驱动 信号。

如表1所示，分别设定A相上桥臂中5台电动汽车充电时的初始荷电状态值SOC_0ij、期 望荷电状态SOC_ij和用户设定充电时间t_ij，并设定电动汽车接入都为00:00点。根据计算得 到的电动汽车虚拟荷电状态升序排序序号D1＝1,D2＝2,D3＝3,D4＝4，D5＝5从小到大对应于载 波C5，C4，C3，C2，C1；位于下层的载波信号产生的驱动信号对应驱动虚拟荷电状态大的 子模块，使其导通时间长，即充电时间长，平均充电功率大；位于上层载波信号产生的驱动 信号对应驱动虚拟荷电状态小的子模块，使其导通时间短，充电时间短，平均充电功率小， 最终实现平均充电功率按用户需求分配。

仿真结果：图5所示为A相上桥臂5台电动汽车充电时实时荷电状态SOC曲线，5台电 动汽车初始荷电状态SOC_0ij和离开时间均不相同。由图5可见，EV2和EV4初始荷电状态 SOC_0a2和SOC_0a4为30％，其中EV2在0.68s时充电后荷电状态SOC升至60％，而EV4荷 电状态SOC仅为45％，EV2充电的速率大于EV4；图7中电动汽车充电功率曲线同样证明 了这一点；图6中EV2虚拟荷电状态V-SOC_a2大于EV4虚拟荷电状态V-SOC_a4，验证了虚拟 荷电状态V-SOC概念的正确性。EV1和EV5停留时间相同，但是EV1初始荷电状态SOC_0a1为35％，EV5初始荷电状态SOC_0a5为26％，由此EV1所需充电量小于EV5，EV1充电速率 小于EV5；图6和图7的仿真结果与理论一致。t＝0.68s时EV2退出系统，此后没有额外电动 汽车重新接入系统，系统仍可以正常给电动汽车充电，验证了系统具有很好的冗余性和可靠 性。

当基于MMC的规模化电动汽车集群系统处于放电状态时，按如下方式调整产生各电动 车所在子模块驱动信号所对应的三角载波信号：

将序号为D1..Dn的虚拟荷电状态和三角载波信号C1，C2，C3，…,Cn一一对应，

以三角载波信号C1产生的控制信号作为与序号为D1的虚拟荷电状态所对应的电动汽车 所在子模块的驱动信号；以三角载波信号C2产生的控制信号作为与序号为D2的虚拟荷电状 态所对应的电动汽车所在子模块的驱动信号；以三角载波信号C3产生的控制信号作为与序 号为D3的虚拟荷电状态所对应的电动汽车所在子模块的驱动信号；……；以三角载波信号 Cn产生的控制信号作为与序号为Dn的虚拟荷电状态所对应的电动汽车所在子模块的驱动信 号。

如表2所示，设定A相上桥臂中5台电动汽车放电时的初始荷电状态SOC_0ij值和用户设 定充电时间，并设定电动汽车接入时间都为6:00。根据计算得到的电动汽车虚拟荷电状态 V-SOC升序排序序号D1＝1,D2＝2,D3＝3,D4＝4，D5＝5从小到大对应于载波C1，C2，C3，C4， C5；位于上层的载波信号产生的驱动信号对应驱动虚拟荷电状态大的子模块，使其导通时间 短，即放电时间短，平均放电功率小；位于下层载波信号产生的驱动信号对应驱动虚拟荷电 状态小的子模块，使其导通时间长，放电时间长，平均放电功率大，最终实现平均放电功率 按需求分配。

仿真结果：图8所示为A相上桥臂5台电动汽车不同初始荷电状态SOC_0ij的放电荷电状 态SOC曲线，其中EV5和EV2初始荷电状态SOC_0a5和SOC_0a2均为90％，在t＝0.4s时EV5 的荷电状态SOC下降到80％而EV2的荷电状态SOC才降到85％，说明EV5放电速率大于 EV2，结果符合预设定EV5停留时间比EV2短，EV5虚拟荷电状态V-SOC_0a5小于EV2虚拟 荷电状态V-SOC_0a2的条件，验证了系统拓扑结构和控制算法在放电状态的可靠性。EV5和EV4 具有相同的放电时间，但EV5初始荷电状态SOC_0a5大于EV4初始荷电状态SOC_0a4，即EV5 允许放的电量大于EV4。从图9和图10的结果中可以得出，EV5虚拟荷电状态V-SOC_a5小于 EV4虚拟荷电状态V-SOC_a4，对应着EV5平均放电功率大于EV4，结果表明该控制算法能够 按照用户需求控制电动汽车放电速率。

本实施例中按如下方法控制电动汽车所在子模块的投入或切除：若调制波信号大于载波 信号，对应于载波信号的电动汽车子模块被投入；否则电动汽车所在子模块被切除。

本实施例中通过设置桥臂单元冗余子模块数量增加基于MMC的规模化电动汽车集群系 统的冗余度和可靠性，保证系统的三相功率平衡；冗余子模块按如下方法进行设置：根据电 动汽车直流充电接口电压和交流系统电压等级按如下式(2)计算获得桥臂单元最少充电接口 数q：

$q=\frac{U_g}{U_{ev}}\times \frac{1}{m}---\left(2\right)$

式(2)中，U_g表示检测获得的交流侧电网线电压幅值，U_ev表示设定的电动汽车充电接口 额定电压，m表示调制度，m的取值范围为0～1，可以取为0.8；设置桥臂单元冗余子模块数 量的冗余度为10％，则桥臂单元子模块数量x为：x＝q×(1+10％)。

本实施例中H桥模块的控制方式为：

令H桥模块的调制波信号为v_href，则v_href＝v_refa-∑v_ev

其中：∑v_ev为检测获得的桥臂单元中有电动汽车投入的所有子模块的电压之和；H桥 模块的载波信号为三角波；

若H桥模块调制波信号大于H桥模块载波信号，则H桥模块中全控功率开关SH1和全 控功率开关SH3导通，全控功率开关SH2和全控功率开关SH4关断；

若H桥模块调制波信号小于H模块桥载波信号，则H桥模块中全控功率开关SH2和全 控功率开关SH4导通，全控功率开关SH1和全控功率开关SH3关断。

图11和图12分别是充电和放电状态下，交流电网侧的输出电流波形，可以看出三相电 流幅值、频率相同，相位互差120°，三相电流时对称，默认大电网的电压对称，因此基于 MMC的规模化电动汽车集群系统三相功率平衡。

本发明根据各个初始荷电状态SOC_0ij、用户设定停留时间t_ij和期望荷电状态SOC_ij，计 算虚拟荷电状态V-SOC_ij，按照虚拟荷电状态排序确定各个电动汽车对应的载波，实现电汽车 充放电功率按需分配的目的，同时，保证基于MMC的规模化电动汽车集群系统三相输出功 率的平衡。

表1

表2