基于VSG 新視角的大規(guī)模電動汽車儲能放電控制

唐海國，周可慧，張帝

（1. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長沙 410007；2. 國網(wǎng)配電網(wǎng)智能化應(yīng)用及關(guān)鍵設(shè)備聯(lián)合實驗室，長沙 410007）

引言

目前，我國石油資源儲量不足，且嚴(yán)重依賴進口，但是能源消耗量卻在不斷增加，這已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟健康發(fā)展的關(guān)鍵因素[1]。在石油消耗方面，交通運輸占據(jù)了主要部分，大量的燃油機動車不但加劇了石油短缺問題，還引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境污染，是碳排放的重要來源，在“雙碳”目標(biāo)下，加速電動汽車（Electric Vehicle,EV）對燃油車的替換是我國當(dāng)前的重要任務(wù)[2]。

隨著電動汽車數(shù)量的增長，未來必將面臨電動汽車通過充電樁同時大規(guī)模接入電網(wǎng)的狀況，此時，電動汽車可作為大規(guī)模儲能設(shè)備，通過合理規(guī)劃，在合適的控制策略下可以為電網(wǎng)提供能量支持，實現(xiàn)“填谷”目標(biāo)，可大大降低電力系統(tǒng)的建設(shè)成本，增加系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性[3]。當(dāng)電動汽車放電時，動力電池需要采用逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，以滿足應(yīng)用需求。然而，與傳統(tǒng)發(fā)電機不同，逆變裝置具有響應(yīng)速度快的特點，大規(guī)模的電動汽車接入電網(wǎng)會造成系統(tǒng)慣量、阻尼缺失， 也可能出現(xiàn)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性變差的情形[4]，降低電能質(zhì)量。

為改善電力系統(tǒng)的頻率特性，虛擬同步機（Virtual Synchronous Generator, VSG）的概念于2007 年被提出[5]，由于VSG 能夠模擬同步發(fā)電機組的機電暫態(tài)特性，使采用逆變器的電源具有類似真實發(fā)電機的慣量和阻尼，可用于大規(guī)模電動汽車儲能控制過程中，增加系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性[6]。傳統(tǒng)VSG 方案的實現(xiàn)過程如下：將同步電機機械方程與頻率-有功下垂控制器級聯(lián)，下垂控制器的輸出被當(dāng)作同步電機需要輸出的機械功率，實時反饋的電網(wǎng)有功功率被當(dāng)作同步電機的真實輸出功率，并將它們代入同步電機機械方程，且輸出值作為控制電壓相位直接用于調(diào)制計算中?？梢钥闯觯瑐鹘y(tǒng)VSG 控制器是在同步電機物理概念的基礎(chǔ)上提出的，為保證每個中間變量都有明確的物理意義，每個環(huán)節(jié)必須按照固定方式進行設(shè)計，例如，下垂控制需要采用頻率-有功型控制器，而有功-頻率型下垂控制器無法使用，其次，頻率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)只能為基于頻率反饋的外環(huán)頻率一次調(diào)節(jié)和基于功率反饋的內(nèi)環(huán)頻率二次調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)[7-9]。但是，從自動控制理論角度來看，VSG 控制器本身為具有延時作用的二階控制器，它通過降低系統(tǒng)帶寬來削弱高頻信號的影響，提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的同時降低頻率動態(tài)響應(yīng)速度。然而，目前大部分關(guān)于VSG 技術(shù)的研究都沒有從控制角度說明其性質(zhì)，一定程度上導(dǎo)致研發(fā)和改進新型控制結(jié)構(gòu)的進展緩慢。

本文提出了一種基于VSG 新視角的大規(guī)模電動汽車儲能放電控制方法以調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率。忽略物理意義，僅把頻率二次調(diào)節(jié)看作二階控制器，下垂控制器便不再局限于采用頻率-有功型，即可采用有功-頻率型下垂控制器，此時，頻率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)為基于功率反饋的外環(huán)頻率一次調(diào)節(jié)和基于頻率反饋的內(nèi)環(huán)頻率二次調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。通過仿真和實驗對比傳統(tǒng)VSG 和新型結(jié)構(gòu)的控制性能，證明將頻率二次調(diào)節(jié)看作二階控制器以及所提出的新型控制結(jié)構(gòu)是合理有效的。

1 基于VSG 新視角控制方法

為在傳統(tǒng)VSG 結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計新型電網(wǎng)頻率控制方案，首先對傳統(tǒng)VSG 控制本質(zhì)進行分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了基于VSG 新視角的控制方法。

1.1 傳統(tǒng)VSG 控制本質(zhì)

用于大規(guī)模電動汽車儲能放電的傳統(tǒng)VSG 控制系統(tǒng)框圖如圖1 所示。圖中，Udc為動力電池組通過DC/DC變換器后的直流電壓，Ea, Eb, Ec為DC/AC 逆變器輸出電壓，Zdc和Zf為濾波阻抗，Cf為濾波電容，Rl和Ll為電網(wǎng)及其負載等效電阻和電感，Va,b,c, Ia,b,c為利用隔離檢測裝置測得的電網(wǎng)三相電壓和電流，利用電壓和電流信息可計算得到系統(tǒng)頻率f，有功功率P 和無功功率Q，kf和kV為下垂系數(shù)，ΔQ 為虛擬功率偏差，ΔV 和VN分別為電壓偏差和額定電壓，Vf為參考電壓，J 為虛擬慣量，D為虛擬阻尼。

圖1 傳統(tǒng)VSG 控制結(jié)構(gòu)框圖

對于頻率控制環(huán)，各中間變量的物理意義如下：首先，頻率反饋f 與額定頻率fN的偏差經(jīng)過頻率-有功下垂控制器調(diào)節(jié)輸出為機械功率偏差ΔP，將ΔP 與額定有功功率PN的和作為同步電機需要輸出的機械功率Pt，而電網(wǎng)實時有功功率P 作為發(fā)電機電磁功率，經(jīng)過機械方程后，產(chǎn)生同步電機轉(zhuǎn)子位置角度θ，并將其作為用于產(chǎn)生調(diào)制波的相位角。雖然傳統(tǒng)VSG 控制技術(shù)是根據(jù)同步發(fā)電機物理意義建立起來的，但從控制理論角度來看，圖1 中機械方程為二階控制器，且有功功率控制環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)Gmec(s)為：

與下垂控制相比[10]，傳統(tǒng)VSG 控制是在下垂控制器與執(zhí)行器之間添加了二階環(huán)節(jié)，該二階控制器的對數(shù)幅頻特性曲線（Bode 圖）如圖2 所示。

圖2 二階控制器對數(shù)幅頻特性曲線

可以看出，二階控制器的相角全為負值，系統(tǒng)相角裕度會降低；同時幅值存在由正到負的過程，這表明整個頻率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)帶寬已經(jīng)大大下降，已不是下垂控制（比例環(huán)節(jié)）無限帶寬的情形。頻率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)帶寬降低，會降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時能夠減小高頻噪聲對系統(tǒng)性能的影響，增加系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能[11]，實現(xiàn)對電網(wǎng)的頻率支撐。以上便是忽略物理意義，從控制角度得到的VSG 控制本質(zhì)。

1.2 基于VSG 新視角的控制方案

基于VSG 新視角的頻率雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖3 所示，忽略同步電機物理意義的影響，將功率反饋作為外環(huán)頻率一次調(diào)節(jié)，而將頻率反饋作為內(nèi)環(huán)頻率二次調(diào)節(jié)。與傳統(tǒng)VSG 控制相比，圖3 中下垂控制器變?yōu)橛泄?頻率型，頻率二次調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)仍采用與VSG 一樣的二階控制器，但是調(diào)節(jié)過程中各中間變量物理意義已經(jīng)不再考慮。雖然，新結(jié)構(gòu)只是將傳統(tǒng)VSG 的功率環(huán)和頻率環(huán)進行互換，其控制理論基礎(chǔ)已經(jīng)完全不同，即所提出的結(jié)構(gòu)是從控制角度對VSG 新理解的產(chǎn)物，該結(jié)構(gòu)的有效性有助于從控制角度深入理解VSG 技術(shù)的本質(zhì)，為開發(fā)新型控制結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。

圖3 基于VSG 新視角的頻率雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

2 仿真與實驗驗證

為驗證本文所提出的基于VSG 新視角的控制方法的有效性，同時說明VSG 技術(shù)的控制本質(zhì)，對兩個案例分別進行對比研究，即對傳統(tǒng)VSG 和基于VSG 新視角的控制方法進行仿真和實驗對比驗證。若基于VSG 新視角的控制方法具有與傳統(tǒng)VSG 相似的控制性能，說明本文所提出的將同步電機機械方程看作二階控制器思想以及基于VSG 新視角的控制方案是合理有效的。

1）案例1

案例1 的主要系統(tǒng)參數(shù)如表1 所示，在Matlab/Simulink 中搭建VSG 和基于VSG 新視角的控制仿真模型，為分析方便，對仿真過程進行如下簡化：①下垂系數(shù)和二階控制器參數(shù)都采用相同值，②大規(guī)模電池等效為無限直流電壓源，③只考慮電網(wǎng)的負載效應(yīng)。測試過程如下：設(shè)置電網(wǎng)負載為純阻性負載，額定無功功率為0，設(shè)置仿真時長為1 s，在額定負載條件下啟動，系統(tǒng)達到穩(wěn)定后，對比額定狀態(tài)下兩種控制方法的性能；在0.5 s，負載突變至150 %額定值，對比兩種控制方案在瞬態(tài)條件下的功率和頻率特性，并對比再次達到穩(wěn)定時的系統(tǒng)性能。

表1 案例1 電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)

圖4為傳統(tǒng)VSG 控制的無功功率Q，電壓有效值V，有功功率P 和頻率f 特性。在（0～0.5）s 之間，啟動后，系統(tǒng)狀態(tài)都維持在額定工作點，且波動很小；在0.5 s 突加負載后，電壓和頻率都產(chǎn)生了波動，其中，電壓波動范圍為（170～250）V，頻率偏差最大值為0.4 Hz，在經(jīng)過越0.02 s 調(diào)整后，頻率穩(wěn)定在49.5 Hz?？梢钥闯?，傳統(tǒng)VSG 能夠控制電網(wǎng)正常工作，且有較高的穩(wěn)態(tài)性能。

圖4 傳統(tǒng)VSG 控制性能

圖5為基于VSG 新視角的控制方案的系統(tǒng)特性。首先，圖5 中功率特性與傳統(tǒng)VSG 非常相似，具有較高的穩(wěn)態(tài)性能；其次，電壓和頻率在負載突變時表現(xiàn)出了不同的瞬態(tài)性能，具體而言，電壓波動范圍變?yōu)椋?73 ～255）V，頻率最大偏差降低，只有0.25 Hz，說明基于VSG 新視角的控制對于改善案例1 系統(tǒng)的控制性能具有重要作用；最后，可以看出電壓和頻率具有較高的穩(wěn)定性，說明本文提出的基于VSG 新視角的控制方案是可行的，且忽略頻率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)各狀態(tài)變量物理意義的思想是正確的。

圖5 基于VSG 新視角的控制性能

2）案例2

為實現(xiàn)實驗驗證，搭建一套基于RT-Lab 的低壓測試平臺（案例2），平臺系統(tǒng)參數(shù)如表2 所示，電網(wǎng)負載仍為純電阻，實驗過程如下：實驗時長為2.0 s，系統(tǒng)帶額定負載啟動穩(wěn)定后，在1.0 s 直接加載至120 %負載，比較傳統(tǒng)VSG 與改進型VSG 的控制性能。

表2 案例2 電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)

圖6和圖7 分別為傳統(tǒng)VSG 和新型VSG 的控制性能曲線，對于案例2 而言，在額定工作狀態(tài)下，系統(tǒng)的功率、電壓和頻率特性在兩種控制模式都具有良好的穩(wěn)態(tài)性能；但是在突加負載后，頻率的瞬態(tài)性能有所不同，首先，圖6 中頻率響應(yīng)速度較低，波動下降至49.93 Hz，而圖7中頻率響應(yīng)速度較快，但最大頻率偏移也僅有0.1 Hz，經(jīng)過短暫調(diào)節(jié)后，頻率最終穩(wěn)定在49.5 Hz?？梢钥闯?，基于VSG 新視角的控制具有較強的控制能力，和傳統(tǒng)VSG 控制一樣，在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)過程都具有很強的抑制波動與頻率偏移能力，這說明本文雖然忽略了頻率二次調(diào)節(jié)中各狀態(tài)變量的物理意義，但所提出的基于VSG 新視角的控制結(jié)構(gòu)依然和傳統(tǒng)VSG 一樣賦予了系統(tǒng)“虛擬阻尼”與“虛擬慣量”的特性，證明將頻率二次調(diào)節(jié)看作二階控制器的思想是可行的。

圖6 傳統(tǒng)VSG 控制特性

圖7 基于VSG 新視角的控制性能

3 結(jié)論

本文的主要研究內(nèi)容及貢獻總結(jié)如下：

1）針對大規(guī)模電動汽車儲能系統(tǒng)，解釋了放電過程中傳統(tǒng)VSG 頻率二次調(diào)節(jié)的本質(zhì)，將同步電機機械方程看作二階控制器，可忽略各狀態(tài)量的物理意義。

2）當(dāng)把頻率二次調(diào)節(jié)看為二階控制器后，可以將傳統(tǒng)VSG 結(jié)構(gòu)進行變形，將功率反饋作為外環(huán)一次頻率調(diào)節(jié)，將頻率反饋作為內(nèi)環(huán)二次頻率調(diào)節(jié)，構(gòu)成基于VSG新視角的控制結(jié)構(gòu)，仿真和實驗證明了新型控制結(jié)構(gòu)的有效性。雖然新型結(jié)構(gòu)僅僅改變了VSG 控制頻率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)，但是其意義重大，其有效性證明了VSG 控制的本質(zhì)，為開發(fā)新型頻率控制結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。