基于自適應(yīng)參數(shù)虛擬同步機控制的電動汽車充電樁設(shè)計

蘇二號 呂志鵬 單楊

（1.上海電力大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 上海市 200090 2.國網(wǎng)上海能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司 上海市 200126）（3.南京則鳴新能源技術(shù)有限公司 江蘇省南京市 211505）

由于化石燃料的不斷消耗，全球范圍內(nèi)的能源危機和環(huán)境問題日益加劇。傳統(tǒng)燃油型汽車作為化石燃料的一大消費者，面臨著十分巨大的挑戰(zhàn)。電動汽車技術(shù)的發(fā)展使得電動汽車取代傳統(tǒng)燃油型汽車已成為大勢所趨；然而現(xiàn)如今充電難問題已成為限制電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵問題之一，中國汽車流通協(xié)會發(fā)布的《2019 新能源汽車消費市場研究報告》表明，目前新能源車用戶對充電體驗滿意度為各項滿意度調(diào)研中得分最低，這嚴重影響了新能源汽車消費體驗。充電難問題主要表現(xiàn)在三個方面，一是配套設(shè)施少，私人充電樁發(fā)展與規(guī)劃預(yù)期相差甚遠。二是充電慢。如今充電樁多為交流慢充，根據(jù)《2019 北京市新能源汽車充電行為報告》顯示，不計排隊時間，用戶單筆使用公共快充樁充電時長高達1.32h、公共慢充樁充電時長5.09 小時，大容量電池（60-100kW）已經(jīng)是未來一段時間新能源汽車發(fā)展的必然趨勢。隨著單車帶電量的提升，充電慢的問題將進一步成為電動汽車發(fā)展的瓶頸。除此之外，電動汽車充電接口接入配電網(wǎng)除會給配電網(wǎng)帶來沖擊，影響配電網(wǎng)的負荷平衡，電動汽車的投切，會帶來大量的功率變化并對配電網(wǎng)電壓有所沖擊，并且聚集性充電可能導(dǎo)致局部地區(qū)的負荷緊張，除拉低電網(wǎng)電壓和系統(tǒng)頻率外，也會帶來大量諧波污染。

為了有效應(yīng)對電動汽車投切對系統(tǒng)影響的問題，使電動汽車成為更加符合電網(wǎng)需求的“模范負荷”，已有很多文獻就此進行了研究，這些研究從電動汽車電網(wǎng)互動（Vehicle to Grid, V2G）、調(diào)度策略、電能質(zhì)量治理等不同角度進行了大量而廣泛的研究。有學(xué)者從先進控制策略的角度出發(fā)，借鑒傳統(tǒng)電網(wǎng)中的同步電機技術(shù)，將充放電電路等效為與電網(wǎng)交互的自治單元，提出負荷側(cè)虛擬同步機技術(shù)，在虛擬電機控制策略的作用下將電動汽車的充放電電路接口等效控制為同步電機，使之具有慣量和阻尼的特性，在充電樁頻繁投退的情況下，由于慣性和阻尼的作用不會對配電網(wǎng)電壓和頻率產(chǎn)生較大影響。但慣量和阻尼參數(shù)的選取方面仍有問題，通過設(shè)置較大的慣量和阻尼參數(shù)雖然能夠提供較強的支撐作用，但是恒定的高轉(zhuǎn)動慣量不但可能無法滿足物理約束而且會導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)過慢。為了解決上述問題，從虛擬電機控制的靈活性方面出發(fā)，可運用轉(zhuǎn)動慣量和阻尼因子自適應(yīng)的控制方法，根據(jù)虛擬角頻率的偏移量，采用不同的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)，從而抑制功率和頻率的超調(diào)，減小電動汽車充電投切對電網(wǎng)的沖擊。

1 本文難點與創(chuàng)新

電動汽車充電樁并網(wǎng)給傳統(tǒng)電網(wǎng)帶來了諸多挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在：慣性和阻尼不足、引發(fā)諧振和次同步振蕩等問題。作為聯(lián)系電動汽車與電網(wǎng)的紐帶，對并網(wǎng)逆變器進行虛擬同步發(fā)電機（Virtual Synchronous Generator, VSG）控制是一種有效的解決方案。VSG 控制能夠十分有效的模擬同步發(fā)電機的運行特性，從而使得基于電力電子變換器實現(xiàn)并網(wǎng)的發(fā)電系統(tǒng)具有與傳統(tǒng)同步發(fā)電機相似的運行特性。

VSG 可以模擬同步發(fā)電機的慣量阻尼特性，一旦出現(xiàn)功率不平衡時，可以利用虛擬慣量和阻尼特性，抑制功率和角頻率的超調(diào)和振蕩，實現(xiàn)平穩(wěn)過渡。但是當(dāng)外部擾動較大時，采用傳統(tǒng)的VSG控制方法，仍然會出現(xiàn)功率和頻率的較大波動，從而使得VSG 系統(tǒng)運行出現(xiàn)異常。這主要是由于兩方面原因引起的：一方面，VSG屬于電力電子器件，過載能力有限；另一方面，傳統(tǒng)VSG 控制下所具有的轉(zhuǎn)動慣量要遠遠小于傳統(tǒng)同發(fā)發(fā)電機，難以抑制較大的功率沖擊。VSG 控制中，通過設(shè)置較大的轉(zhuǎn)動慣量雖然能夠提供較強的慣性支撐作用，但是恒定的高轉(zhuǎn)動慣量會導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)過慢，反而不利于VSG 系統(tǒng)的正常運行。為了解決上述問題，本文充分考慮慣量和阻尼的各自有益作用，彌補現(xiàn)有的電動汽車虛擬機控制策略的不足，提出一種適用于電動汽車充電樁的虛擬同步機慣性與阻尼參數(shù)自適應(yīng)控制方法。

本文的創(chuàng)新點有以下兩點：

1.1 綜合慣量系數(shù)與阻尼系數(shù)的電動汽車充電樁自適應(yīng)調(diào)節(jié)

針對現(xiàn)今電動汽車充電樁虛擬機控制策略，提出一種綜合虛擬機控制中兩項重要參數(shù)—慣量系數(shù)與阻尼系數(shù)的自適應(yīng)控制策略，使其在電動汽車充電或停止充電的兩種特殊狀態(tài)下根據(jù)電網(wǎng)角頻率偏移量自行調(diào)節(jié)這兩個參數(shù)，更好的抑制系統(tǒng)功率及角頻率的震蕩。

1.2 從系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能與動態(tài)性能角度限定參數(shù)選擇范圍

針對以上提出的慣量阻尼系數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)過程，由于電力電子器件承受能力有限，且兩項參數(shù)選擇過大或過小會對系統(tǒng)穩(wěn)定性存在不利影響，并會一定程度上影響其暫態(tài)性能，故提出以上兩種參數(shù)的選擇范圍設(shè)計方法，使本文提出的設(shè)計方法具有實際應(yīng)用價值。

2 充電樁整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1所示為典型的高-中壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，由一個 220kV 變電站、多個110kV 變電站和 35kV 變電站以及多個中壓配電網(wǎng)組成。本節(jié)擬采用主從控制結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高-中壓配電網(wǎng)的分布式電壓優(yōu)化控制，其中上層配電網(wǎng)的控制系統(tǒng)為地調(diào) AVC 系統(tǒng)，下層配電網(wǎng)的控制系統(tǒng)為變電站子站。雙層配電網(wǎng)基于少量數(shù)據(jù)通信和分解協(xié)調(diào)算法，實現(xiàn)全局優(yōu)化模型的分層分布式計算。相較于全局集中優(yōu)化控制方法，這種分層分布式計算框架可以顯著降低地調(diào) AVC 系統(tǒng)和變電站子站間的通信數(shù)據(jù)量以及優(yōu)化計算的復(fù)雜度。

圖1：充電樁總體方案

本作品的充電樁設(shè)計由兩級電路構(gòu)成，以虛擬機控制的三相電壓型PWM 整流器構(gòu)成前級電路，在傳統(tǒng)VSG 控制的基礎(chǔ)上引入角頻率偏移量形成慣量阻尼自適應(yīng)控制；后級采用高頻隔離性直流變換器，保證系統(tǒng)高功率密度運行。充電樁總體方案如圖1所示。

本方案在傳統(tǒng)VSG 控制的基礎(chǔ)上，更加強調(diào)慣量阻尼兩參數(shù)的自適應(yīng)變化協(xié)同調(diào)節(jié)作用，進一步提升充電樁負荷的柔性，使大容量充電樁在頻繁投退的工作情況下依然不會對配電網(wǎng)形成沖擊，維持配電母線電壓和頻率的穩(wěn)定。

2.1 充電樁前級整流電路方案

充電樁前級整流電路將電網(wǎng)三相交流電整流成為電池充電所需單相直流電，整流電路控制策略采用VSG 控制。本方案在傳統(tǒng)VSG 控制中加入角頻率偏移量形成慣量阻尼自適應(yīng)控制，從而彌補了傳統(tǒng)定參數(shù)條件的VSG 控制的不足之處，既可以使頻率恢復(fù)的調(diào)節(jié)時間不至于過長可，又可以減小功率擾動帶來的頻率下降，最終使得慣量阻尼兩參數(shù)在自適應(yīng)變化的條件下更好的配合，發(fā)揮協(xié)同調(diào)節(jié)的優(yōu)勢，實現(xiàn)電動汽車的柔性并網(wǎng)。

2.2 充電樁后級直流變換器方案

充電樁前級整流電路輸出直流電壓600V，不能直接接到電動汽車電池上，因此采用DAB 直流變換器作為后級電路，將前級整流得到的高壓直流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱悠囯姵乜梢越邮艿牡蛪褐绷?。本方案采用DAB 作為后級電路的原因是其可以在大功率、寬電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關(guān)，大大降低系統(tǒng)的開關(guān)損耗，使充電樁在高頻工作條件下仍能保持高功率密度的能量傳遞，從而為快充提供可能。直流變換器控制策略采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制實現(xiàn)，將充電樁輸出電壓穩(wěn)定到電動汽車額定充電電壓48V。

3 控制策略分析

3.1 虛擬同步發(fā)電機的基本原理

如圖2所示為并網(wǎng)逆變器的主電路及控制結(jié)構(gòu)。Uga、Ugb、Ugc表示的是電網(wǎng)側(cè)三相電壓，Lg、Rg表示的是電網(wǎng)側(cè)電感、電阻，Rs，Ls，C 構(gòu)成的是LC 濾波器，ea、eb、ec表示的是并網(wǎng)逆變器交流側(cè)三相電壓，Ua、Ub、Uc表示的是LC 濾波器電容端三相電壓，ia、ib、ic表示的是交流側(cè)三相電流，Vdc表示的是直流母線電壓，Pref、Qref表示的是并網(wǎng)逆變器輸入的參考有功功率和無功功率。虛擬同步機控制模塊所得到的是并網(wǎng)逆變器交流側(cè)電壓，再經(jīng)過正弦脈寬調(diào)制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）產(chǎn)生脈沖來驅(qū)動IGBT 的通斷。

圖2：并網(wǎng)逆變器主電路及控制結(jié)構(gòu)圖

3.2 慣量和阻尼對VSG運行特性的影響

若在給定運行點附近運行，VSG 控制模塊可以近似為一個二階系統(tǒng)，可以利用二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型描述VSG 的有功功率輸出特性：

上式中，P 為VSG 實際輸出有功功率值，Z 為VSG 至并網(wǎng)點之間的等值阻抗，Pref為VSG 有功功率的指令值，Z=(Rs+Rg)+jω0(Ls+Lg)，E 為VSG 輸出三相電壓有效值，Ug為并網(wǎng)點處三相電壓有效值，J 為轉(zhuǎn)動慣量，ω0是并網(wǎng)點處電網(wǎng)的參考角頻率。

該二階模型的自然振蕩角頻率ωn和阻尼比ξ 為：

其中D 為阻尼系數(shù)。

3.3 自適應(yīng)轉(zhuǎn)動慣量阻尼的控制策略

文獻[1-4]主要論述了一種慣量自適應(yīng)控制方法，即VSG 能夠根據(jù)頻率變化從而動態(tài)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動慣量J，當(dāng)|f-50|>k 時，J 的計算公式為：

上式中，J0為VSG 轉(zhuǎn)動慣量初始給定值，kf為頻率跟蹤系數(shù)，f 為頻率，k 為頻率變化量限定值，其根據(jù)允許頻率波動范圍來設(shè)定，控制原理可以由圖3 表示。其中，ω 為VSG 角頻率，Td是阻尼轉(zhuǎn)矩，Te為電磁轉(zhuǎn)矩，Tm為機械轉(zhuǎn)矩。

圖3：慣量自適應(yīng)控制原理

這種慣量自適應(yīng)控制可以有效地減小功率擾動帶來的頻率下降速率，然而在頻率恢復(fù)過程中，調(diào)節(jié)時間大大加長；且沒有考慮阻尼因子的有益作用。考慮到以上情況，本文提出一種可以適用于電動汽車充電樁的慣量阻尼自適應(yīng)控制策略，如圖4所示。其中，θ是虛擬同步機轉(zhuǎn)子功角，k1為轉(zhuǎn)動慣量的調(diào)整系數(shù)。

圖4：慣量阻尼自適應(yīng)控制原理圖

3.4 慣量、阻尼參數(shù)的選擇范圍

在本作品的設(shè)計方案總，涉及到的自適應(yīng)參數(shù)包括：阻尼參數(shù)D，慣量參數(shù)J。為了使系統(tǒng)表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性與動態(tài)性能，本節(jié)將從這兩個角度出發(fā)對以上兩個參數(shù)的選擇范圍進行約束。

系統(tǒng)的能穩(wěn)定運行是設(shè)計的基本要求之一。為保證系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行，需保證系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)的全部極點都在s 平面的左半平面，即極點的實部均為負數(shù)。通過分析各個參數(shù)對系統(tǒng)傳遞函數(shù)的極點的影響，基于特征多項式對系數(shù)進行約束，使系統(tǒng)的全部極點均位于s 平面的左半平面，從而得以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

式（1）即為系統(tǒng)閉環(huán)傳函，由勞斯判據(jù)可知系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件為：

由于ωn>0，Xs>0，Ug>0，E>0，則由式（4）可得J、D 參數(shù)的基本選擇范圍為：

為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，還需考慮其穩(wěn)定裕度。由于本設(shè)計的充電樁系統(tǒng)為二階系統(tǒng)，其幅值裕度無窮大，因此無需考慮幅值裕度。對其開環(huán)傳遞函數(shù)，令s=jω，得：

令A(yù)(ω)=1，則求得截止頻率ωc。由于ωc和相角頻率γ 之間具有推導(dǎo)關(guān)系。要使系統(tǒng)獲得滿意的性能，可以設(shè)置相角裕度γ 為30°～60°，根據(jù)該相角裕度范圍，反推截止頻率ωc的范圍，最終可求得D 的取值范圍。

接下來分析本設(shè)計系統(tǒng)的動態(tài)性能，這也是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要條件，尤其當(dāng)電動汽車投切時穩(wěn)定運行的重要前提。為了使系統(tǒng)的動態(tài)性能達到要求，也需要限制J、D 參數(shù)的范圍，可以通過限定系統(tǒng)的超調(diào)量等動態(tài)性能達到目的。

由式（8）知，σ%只與阻尼比ζ 有關(guān)。一般，當(dāng)ζ=0.4 ～0.8 時，σ%介于1.5%～25.4%之間。即

慣量參數(shù)的取值范圍可以通過代入Tm與Km及式（9）解得。

4 結(jié)語

綜上可知，本文提出的基于自適應(yīng)參數(shù)虛擬同步機控制的電動汽車充電樁充分利用VSG 的控制特點，綜合考慮慣量特性和阻尼特性對VSG 輸出特性的協(xié)同有益作用，在VSG 受到較大的擾動的情況下，通過抑制頻率和功率的振蕩，從而改善VSG 的動態(tài)響應(yīng)。