應(yīng)用同步逆變器的含電動汽車微電網(wǎng)一次調(diào)頻策略

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)能源危機和環(huán)境污染問題日益加劇，越來越多清潔、可再生的新能源和儲能裝置在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，推動了分布式發(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，具有很強的間歇性、隨機性和不連續(xù)性。為輔助微電網(wǎng)更好的消納可再生能源，需配備充足的儲能單元，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。近幾年來，隨著電動汽車的普及，電動汽車接入微電網(wǎng)時可作備用儲能單元，參與到微電網(wǎng)的控制與運行中，降低了微電網(wǎng)建設(shè)和運營成本，也能通過“峰-谷電價”給電動車用戶帶來一定的經(jīng)濟收益[1]。但大量的電動汽車通過電力電子設(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)與電動汽車間的雙向流動，為微電網(wǎng)提供必要的功率補充，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定，成為當前研究的熱點。

虛擬同步機（virtual synchronous generator，VSG）技術(shù)[3]，是將同步機的數(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[4]利用傳統(tǒng)同步機的數(shù)學(xué)模型及其外特性設(shè)計了阻尼參數(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)同步電機的有功-下垂特性及阻尼特性。文獻[5]基于同步逆變器設(shè)計了微電網(wǎng)的調(diào)頻策略，實現(xiàn)了具有調(diào)頻功能的分布式發(fā)電單元對微電網(wǎng)頻率的調(diào)節(jié)，但未引入電動汽車作為儲能單元參與微電網(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，在孤島模式下通過切換同步逆變器的工作方式可使其主動參與微電網(wǎng)的一次調(diào)頻控制，同時為微電網(wǎng)提供阻尼、慣量的支撐。當多臺電動汽車響應(yīng)微電網(wǎng)一次調(diào)頻時，可根據(jù)所接同步逆變器的阻尼系數(shù)實現(xiàn)缺額功率的自動分配，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，方便了電動汽車充電單元的擴展。

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的定子電阻；橋臂中點的電壓等效為同步機的內(nèi)電勢。其數(shù)學(xué)方程可表示為式（1）。

圖1 同步逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)

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

電子部分，通過采集同步逆變器LC 濾波器的電感電流及電容電壓，將同步機的轉(zhuǎn)子搖擺方程引入到控制中，模擬了同步機電壓、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)動慣量，Te和Tm分別為同步逆變器的電磁、機械轉(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。當同步逆變器工作于下垂模式時，根據(jù)微電網(wǎng)的頻率來改變各同步逆變器的輸出有功功率，實現(xiàn)系統(tǒng)負荷功率的比例分配。

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行狀態(tài)。當同步逆變器設(shè)定頻率為自身參考頻率時，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；當設(shè)定頻率為采集的微電網(wǎng)頻率時，同步逆變器工作于下垂模式，其根據(jù)微電網(wǎng)運行頻率波動值及同步逆變器的阻尼系數(shù)自動調(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)中電動汽車充放電單元具有“源、荷、儲”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)的電動汽車參與系統(tǒng)一次調(diào)頻時需考慮充/放電功率頻繁波動對電池壽命造成的影響及能否滿足用戶的出行需求，當系統(tǒng)頻率在死區(qū)fdeath范圍內(nèi)波動時，同步逆變器工作在PQ 設(shè)定模式，電動汽車充/放電單元不響應(yīng)微電網(wǎng)一次調(diào)頻需求；當系統(tǒng)頻率超出死區(qū)范圍時，同步逆變器工作在下垂模式，其根據(jù)阻尼系數(shù)自動調(diào)節(jié)向微電網(wǎng)輸出有功、無功功率，參與微電網(wǎng)的一次調(diào)頻。

計及調(diào)頻死區(qū)、電動汽車電池荷電狀態(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際功率輸出值，k1、k2為電動汽車充放電單元阻尼系數(shù)，其取值與電動汽車電池荷電狀態(tài)（SOC）有關(guān)。

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

考慮多臺電動汽車參與微電網(wǎng)的一次調(diào)頻，當微電網(wǎng)運行于并網(wǎng)狀態(tài)時，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)補充，電動汽車不參與微電網(wǎng)的一次調(diào)頻。當微電網(wǎng)運行于孤島模式時，其頻率由多臺應(yīng)用同步逆變器技術(shù)的電動汽車阻尼系數(shù)及系統(tǒng)負荷所決定，系統(tǒng)的有功—頻率特性曲線滿足下式：

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

2 仿真分析

2.1 模型的建立

為驗證本文提出的應(yīng)用同步逆變器的電動汽車一次調(diào)頻策略的有效性，在Matlab/Simulink 仿真平臺中搭建了如圖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。三臺電動汽車的動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。

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

2.2 一次調(diào)頻特性分析

由圖3（a）可知，1s-3s 時微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運行模式，其電壓頻率被電網(wǎng)所鉗制，2s 時負荷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。三臺電動汽車不響應(yīng)微電網(wǎng)調(diào)頻需求，由電網(wǎng)向微電網(wǎng)補充3kW 的功率缺額。

3s 時，微電網(wǎng)運行于孤島模式，負荷2 的接入導(dǎo)致系統(tǒng)頻率產(chǎn)生偏差。EV1 無調(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，兩臺電動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，負荷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EV1 充電功率隨頻率的波動下降至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應(yīng)用同步逆變器的電動汽車輸出功率依照其同步逆變器的阻尼參數(shù)k 進行比例分配，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

本文提出應(yīng)用同步逆變器的電動汽車一次調(diào)頻策略，將同步機的相關(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電特性，具備一定的阻尼和慣量支撐作用，通過Matlab/Simulink 仿真平臺進行仿真驗證，得出以下結(jié)論。

微電網(wǎng)中第一類負荷突增時，當系統(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)頻率頻繁波動給電動汽車電池壽命帶來影響；當系統(tǒng)頻率波動超過調(diào)頻死區(qū)時，同步逆變器被設(shè)定為下垂模式，多臺同步逆變器根據(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)電動汽車單元的擴展。本文只涉及應(yīng)用同步逆變器的多臺電動汽車微電網(wǎng)的一次調(diào)頻策略，沒有涵蓋關(guān)于多臺電動汽車參與的微電網(wǎng)二次調(diào)頻策略的研究，因此未來需進一步學(xué)習(xí)和探索。