張欽臻，朱鵬鵬

（上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201306）

隨著非可再生能源的消耗，全球范圍內(nèi)能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題日益加劇，越來(lái)越多清潔、可再生的新能源和儲(chǔ)能裝置在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了分布式發(fā)電技術(shù)和微電網(wǎng)的發(fā)展。但可再生能源分布式發(fā)電的出力受環(huán)境因素的影響，具有很強(qiáng)的間歇性、隨機(jī)性和不連續(xù)性。為輔助微電網(wǎng)更好的消納可再生能源，需配備充足的儲(chǔ)能單元，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。近幾年來(lái)，隨著電動(dòng)汽車的普及，電動(dòng)汽車接入微電網(wǎng)時(shí)可作備用儲(chǔ)能單元，參與到微電網(wǎng)的控制與運(yùn)行中，降低了微電網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本，也能通過(guò)“峰-谷電價(jià)”給電動(dòng)車用戶帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)收益[1]。但大量的電動(dòng)汽車通過(guò)電力電子設(shè)備接入微電網(wǎng)，加劇了微電網(wǎng)的電壓、頻率跌落水平[2]。如何協(xié)調(diào)控制能量在微電網(wǎng)與電動(dòng)汽車間的雙向流動(dòng)，為微電網(wǎng)提供必要的功率補(bǔ)充，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

虛擬同步機(jī)（virtual synchronous generator，VSG）技術(shù)[3]，是將同步機(jī)的數(shù)學(xué)模型引入到AC/DC 變流器的控制中，模擬了傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的阻尼、慣性等特性。其中電壓型控制的VSG 成為目前研究的主流。文獻(xiàn)[4]利用傳統(tǒng)同步機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其外特性設(shè)計(jì)了阻尼參數(shù)、虛擬慣量等，提出了同步逆變器的概念，使其能很好的模擬傳統(tǒng)同步電機(jī)的有功-下垂特性及阻尼特性。文獻(xiàn)[5]基于同步逆變器設(shè)計(jì)了微電網(wǎng)的調(diào)頻策略，實(shí)現(xiàn)了具有調(diào)頻功能的分布式發(fā)電單元對(duì)微電網(wǎng)頻率的調(diào)節(jié)，但未引入電動(dòng)汽車作為儲(chǔ)能單元參與微電網(wǎng)的頻率調(diào)整。

本文提出了一種應(yīng)用同步逆變器技術(shù)的一次調(diào)頻策略，在孤島模式下通過(guò)切換同步逆變器的工作方式可使其主動(dòng)參與微電網(wǎng)的一次調(diào)頻控制，同時(shí)為微電網(wǎng)提供阻尼、慣量的支撐。當(dāng)多臺(tái)電動(dòng)汽車響應(yīng)微電網(wǎng)一次調(diào)頻時(shí)，可根據(jù)所接同步逆變器的阻尼系數(shù)實(shí)現(xiàn)缺額功率的自動(dòng)分配，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，方便了電動(dòng)汽車充電單元的擴(kuò)展。

1 同步逆變器的原理及調(diào)頻策略

1.1 同步逆變器的控制原理

同步逆變器由功率結(jié)構(gòu)及電子部分組成。功率結(jié)構(gòu)上，如圖1 所示。LC 濾波器的電感等效為傳統(tǒng)同步機(jī)的電子電感；電感的等效電阻和IGBT 的寄生電阻等效為同步機(jī)的定子電阻；橋臂中點(diǎn)的電壓等效為同步機(jī)的內(nèi)電勢(shì)。其數(shù)學(xué)方程可表示為式（1）。

圖1 同步逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

式中：eabc為同步機(jī)內(nèi)電勢(shì)，uabc為同步機(jī)的機(jī)端電壓，iabc為同步機(jī)的定子電流，L 為同步機(jī)的同步電感，R為同步機(jī)的定子電阻。

電子部分，通過(guò)采集同步逆變器LC 濾波器的電感電流及電容電壓，將同步機(jī)的轉(zhuǎn)子搖擺方程引入到控制中，模擬了同步機(jī)電壓、頻率下垂特性，電子部分的控制方程表示為式（2）-（4）：

式中：δ 為同步逆變器的功角，J 為同步逆變器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Te和Tm分別為同步逆變器的電磁、機(jī)械轉(zhuǎn)矩，Td為同步逆變器的阻尼轉(zhuǎn)矩，k 為同步逆變器的阻尼系數(shù)。

k 阻尼系數(shù)，其反映了同步逆變器的有功—頻率特性。當(dāng)同步逆變器工作于下垂模式時(shí)，根據(jù)微電網(wǎng)的頻率來(lái)改變各同步逆變器的輸出有功功率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)負(fù)荷功率的比例分配。

1.2 同步逆變器的工作模式

同步逆變器有PQ 模式和下垂模式兩種運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)同步逆變器設(shè)定頻率為自身參考頻率時(shí)，其工作于PQ模式跟蹤功率設(shè)定值向微電網(wǎng)提供功率，不參與微電網(wǎng)一次調(diào)頻；當(dāng)設(shè)定頻率為采集的微電網(wǎng)頻率時(shí)，同步逆變器工作于下垂模式，其根據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行頻率波動(dòng)值及同步逆變器的阻尼系數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出的功率，為微電網(wǎng)提供電壓和頻率的支撐。

1.3 一次調(diào)頻控制策略

微電網(wǎng)中電動(dòng)汽車充放電單元具有“源、荷、儲(chǔ)”三重屬性，采用下垂控制，與傳統(tǒng)下垂控制不同，應(yīng)用同步逆變器技術(shù)的電動(dòng)汽車參與系統(tǒng)一次調(diào)頻時(shí)需考慮充/放電功率頻繁波動(dòng)對(duì)電池壽命造成的影響及能否滿足用戶的出行需求，當(dāng)系統(tǒng)頻率在死區(qū)fdeath范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，同步逆變器工作在PQ 設(shè)定模式，電動(dòng)汽車充/放電單元不響應(yīng)微電網(wǎng)一次調(diào)頻需求；當(dāng)系統(tǒng)頻率超出死區(qū)范圍時(shí)，同步逆變器工作在下垂模式，其根據(jù)阻尼系數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)向微電網(wǎng)輸出有功、無(wú)功功率，參與微電網(wǎng)的一次調(diào)頻。

計(jì)及調(diào)頻死區(qū)、電動(dòng)汽車電池荷電狀態(tài)（SOC）用戶出行需求的一次調(diào)頻控制策略如下：

式中：Pref、P 分別為同步逆變器參考功率設(shè)定值和下垂模式下實(shí)際功率輸出值，k1、k2為電動(dòng)汽車充放電單元阻尼系數(shù)，其取值與電動(dòng)汽車電池荷電狀態(tài)（SOC）有關(guān)。

式中：kmax電動(dòng)汽車充電單元阻尼系數(shù)的最大值，SOCmin、SOCmax為電動(dòng)汽車電池荷電狀態(tài)的上、下限值，SOCprf為用戶期望的荷電狀態(tài)，SOCk為當(dāng)前時(shí)刻荷電狀態(tài)，當(dāng)電動(dòng)汽車電池荷電狀態(tài)低于最低荷電狀態(tài)時(shí)，不參與一次調(diào)頻。

考慮多臺(tái)電動(dòng)汽車參與微電網(wǎng)的一次調(diào)頻，當(dāng)微電網(wǎng)運(yùn)行于并網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，微電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率和電壓被電網(wǎng)所鉗制，其缺額功率由電網(wǎng)補(bǔ)充，電動(dòng)汽車不參與微電網(wǎng)的一次調(diào)頻。當(dāng)微電網(wǎng)運(yùn)行于孤島模式時(shí)，其頻率由多臺(tái)應(yīng)用同步逆變器技術(shù)的電動(dòng)汽車阻尼系數(shù)及系統(tǒng)負(fù)荷所決定，系統(tǒng)的有功—頻率特性曲線滿足下式：

式中：P∑為微電網(wǎng)中負(fù)荷有功功率總和；Pn為微電網(wǎng)中分布式電源及電動(dòng)汽車充放/電單元額定功率；kj為參與一次調(diào)頻時(shí)同步逆變器的阻尼系數(shù)。

2 仿真分析

2.1 模型的建立

為驗(yàn)證本文提出的應(yīng)用同步逆變器的電動(dòng)汽車一次調(diào)頻策略的有效性，在Matlab/Simulink 仿真平臺(tái)中搭建了如圖2 所示的微電網(wǎng)仿真模型。其中DG1 為風(fēng)力分布式電源，最大有功功率為30kW；DG2 為光伏分布式電源，其最大有功功率為20kW；同步逆變器最大充電功率10kW、最大放電功率8kW。三臺(tái)電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池均為磷酸鐵鋰電池，額定端電壓400V，額定容量80A·h，微電網(wǎng)仿真電路的參數(shù)如表1 所示。

按照以下時(shí)序仿真：0-1s 時(shí)，DG1、DG2 以最大功率發(fā)電，三臺(tái)同步逆變器以8kW、8kW、10kW 依次并網(wǎng)運(yùn)行；2s 時(shí)，微電網(wǎng)接入負(fù)荷2；3s 時(shí)，微電網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行；4s 時(shí)，微電網(wǎng)接入負(fù)荷3；5s 時(shí)，結(jié)束仿真。

2.2 一次調(diào)頻特性分析

由圖3（a）可知，1s-3s 時(shí)微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行模式，其電壓頻率被電網(wǎng)所鉗制，2s 時(shí)負(fù)荷2 的投入，系統(tǒng)頻率由50Hz 下降至49.91Hz，經(jīng)0.18 秒的調(diào)整恢復(fù)到50Hz。三臺(tái)電動(dòng)汽車不響應(yīng)微電網(wǎng)調(diào)頻需求，由電網(wǎng)向微電網(wǎng)補(bǔ)充3kW 的功率缺額。

3s 時(shí)，微電網(wǎng)運(yùn)行于孤島模式，負(fù)荷2 的接入導(dǎo)致系統(tǒng)頻率產(chǎn)生偏差。EV1 無(wú)調(diào)頻死區(qū)，其同步逆變器工作于下垂模式，充電功率降低到5kW，參與微電網(wǎng)的一次調(diào)頻；EV2 存在0.1Hz 的調(diào)頻死區(qū)，頻率波動(dòng)范圍處于其調(diào)頻死區(qū)、EV3 荷電狀態(tài)低于最低限值，兩臺(tái)電動(dòng)汽車充電功率保持不變，不參與微電網(wǎng)的一次調(diào)頻任務(wù)，系統(tǒng)頻率經(jīng)0.14s 調(diào)整，由49.1Hz 上升至49.93Hz。

4s 時(shí)，負(fù)荷3 接入微電網(wǎng)，系統(tǒng)頻率差值超出EV2調(diào)頻死區(qū)，EV1、EV2 均響應(yīng)微電網(wǎng)的一次調(diào)頻需求。此時(shí)EV1 充電功率隨頻率的波動(dòng)下降至2.7kW；EV2 充電功率穩(wěn)定于5.34kW：EV3 荷電狀態(tài)低于設(shè)定值的最低限制，其充電功率保持不變。由仿真分析可知多臺(tái)應(yīng)用同步逆變器的電動(dòng)汽車輸出功率依照其同步逆變器的阻尼參數(shù)k 進(jìn)行比例分配，為微電網(wǎng)提供電壓和頻率支撐。

圖3 一次調(diào)頻仿真結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出應(yīng)用同步逆變器的電動(dòng)汽車一次調(diào)頻策略，將同步機(jī)的相關(guān)理論及算法引入到AC/DC 變流器的控制中構(gòu)成了同步逆變器。其模擬了同步電磁特性和機(jī)電特性，具備一定的阻尼和慣量支撐作用，通過(guò)Matlab/Simulink 仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得出以下結(jié)論。

微電網(wǎng)中第一類負(fù)荷突增時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)頻率位于同步逆變器的調(diào)頻死區(qū)內(nèi)，同步逆變器工作于PQ 模式，不參與微電網(wǎng)的一次調(diào)頻響應(yīng)，可防止因系統(tǒng)頻率頻繁波動(dòng)給電動(dòng)汽車電池壽命帶來(lái)影響；當(dāng)系統(tǒng)頻率波動(dòng)超過(guò)調(diào)頻死區(qū)時(shí)，同步逆變器被設(shè)定為下垂模式，多臺(tái)同步逆變器根據(jù)自身阻尼系數(shù)比例分配輸出的功率值，為微電網(wǎng)提供電壓和頻率的支撐，且便于微電網(wǎng)電動(dòng)汽車單元的擴(kuò)展。本文只涉及應(yīng)用同步逆變器的多臺(tái)電動(dòng)汽車微電網(wǎng)的一次調(diào)頻策略，沒(méi)有涵蓋關(guān)于多臺(tái)電動(dòng)汽車參與的微電網(wǎng)二次調(diào)頻策略的研究，因此未來(lái)需進(jìn)一步學(xué)習(xí)和探索。