應用同步逆變器的含電動汽車微電網一次調頻策略

張欽臻，朱鵬鵬

（上海電力大學 電子與信息工程學院，上海 201306）

隨著非可再生能源的消耗，全球范圍內能源危機和環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中廣泛應用，推動了分布式發電技術和微電網的發展。但可再生能源分布式發電的出力受環境因素的影響，具有很強的間歇性、隨機性和不連續性。為輔助微電網更好的消納可再生能源，需配備充足的儲能單元，維持系統的穩定性。近幾年來，隨著電動汽車的普及，電動汽車接入微電網時可作備用儲能單元，參與到微電網的控制與運行中，降低了微電網建設和運營成本，也能通過“峰-谷電價”給電動車用戶帶來一定的經濟收益[1]。但大量的電動汽車通過電力電子設備接入微電網，加劇了微電網的電壓、頻率跌落水平[2]。如何協調控制能量在微電網與電動汽車間的雙向流動，為微電網提供必要的功率補充，維持系統的穩定，成為當前研究的熱點。

虛擬同步機（virtual synchronous generator，VSG）技術[3]，是將同步機的數學模型引入到AC/DC 變流器的控制中，模擬了傳統同步發電機的阻尼、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]利用傳統同步機的數學模型及其外特性設計了阻尼參數、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]基于同步逆變器設計了微電網的調頻策略，實現了具有調頻功能的分布式發電單元對微電網頻率的調節，但未引入電動汽車作為儲能單元參與微電網的頻率調整。

本文提出了一種應用同步逆變器技術的一次調頻策略，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的一次調頻控制，同時為微電網提供阻尼、慣量的支撐。當多臺電動汽車響應微電網一次調頻時，可根據所接同步逆變器的阻尼系數實現缺額功率的自動分配，提升系統穩定性的同時，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頻策略

1.1 同步逆變器的控制原理

同步逆變器由功率結構及電子部分組成。功率結構上，如圖1 所示。LC 濾波器的電感等效為傳統同步機的電子電感；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電勢。其數學方程可表示為式（1）。

圖1 同步逆變器的拓撲結構

式中：eabc為同步機內電勢，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 為同步逆變器的轉動慣量，Te和Tm分別為同步逆變器的電磁、機械轉矩，Td為同步逆變器的阻尼轉矩，k 為同步逆變器的阻尼系數。

k 阻尼系數，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，根據微電網的頻率來改變各同步逆變器的輸出有功功率，實現系統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。當同步逆變器設定頻率為自身參考頻率時，其工作于PQ模式跟蹤功率設定值向微電網提供功率，不參與微電網一次調頻；當設定頻率為采集的微電網頻率時，同步逆變器工作于下垂模式，其根據微電網運行頻率波動值及同步逆變器的阻尼系數自動調節輸出的功率，為微電網提供電壓和頻率的支撐。

1.3 一次調頻控制策略

微電網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，與傳統下垂控制不同，應用同步逆變器技術的電動汽車參與系統一次調頻時需考慮充/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，當系統頻率在死區fdeath范圍內波動時，同步逆變器工作在PQ 設定模式，電動汽車充/放電單元不響應微電網一次調頻需求；當系統頻率超出死區范圍時，同步逆變器工作在下垂模式，其根據阻尼系數自動調節向微電網輸出有功、無功功率，參與微電網的一次調頻。

計及調頻死區、電動汽車電池荷電狀態（SOC）用戶出行需求的一次調頻控制策略如下：

式中：Pref、P 分別為同步逆變器參考功率設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，其取值與電動汽車電池荷電狀態（SOC）有關。

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

考慮多臺電動汽車參與微電網的一次調頻，當微電網運行于并網狀態時，微電網的系統頻率和電壓被電網所鉗制，其缺額功率由電網補充，電動汽車不參與微電網的一次調頻。當微電網運行于孤島模式時，其頻率由多臺應用同步逆變器技術的電動汽車阻尼系數及系統負荷所決定，系統的有功—頻率特性曲線滿足下式：

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

2 仿真分析

2.1 模型的建立

為驗證本文提出的應用同步逆變器的電動汽車一次調頻策略的有效性，在Matlab/Simulink 仿真平臺中搭建了如圖2 所示的微電網仿真模型。其中DG1 為風力分布式電源，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，微電網仿真電路的參數如表1 所示。

按照以下時序仿真：0-1s 時，DG1、DG2 以最大功率發電，三臺同步逆變器以8kW、8kW、10kW 依次并網運行；2s 時，微電網接入負荷2；3s 時，微電網轉入孤島運行；4s 時，微電網接入負荷3；5s 時，結束仿真。

2.2 一次調頻特性分析

由圖3（a）可知，1s-3s 時微電網處于并網運行模式，其電壓頻率被電網所鉗制，2s 時負荷2 的投入，系統頻率由50Hz 下降至49.91Hz，經0.18 秒的調整恢復到50Hz。三臺電動汽車不響應微電網調頻需求，由電網向微電網補充3kW 的功率缺額。

3s 時，微電網運行于孤島模式，負荷2 的接入導致系統頻率產生偏差。EV1 無調頻死區，其同步逆變器工作于下垂模式，充電功率降低到5kW，參與微電網的一次調頻；EV2 存在0.1Hz 的調頻死區，頻率波動范圍處于其調頻死區、EV3 荷電狀態低于最低限值，兩臺電動汽車充電功率保持不變，不參與微電網的一次調頻任務，系統頻率經0.14s 調整，由49.1Hz 上升至49.93Hz。

4s 時，負荷3 接入微電網，系統頻率差值超出EV2調頻死區，EV1、EV2 均響應微電網的一次調頻需求。此時EV1 充電功率隨頻率的波動下降至2.7kW；EV2 充電功率穩定于5.34kW：EV3 荷電狀態低于設定值的最低限制，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k 進行比例分配，為微電網提供電壓和頻率支撐。

圖3 一次調頻仿真結果

3 結束語

本文提出應用同步逆變器的電動汽車一次調頻策略，將同步機的相關理論及算法引入到AC/DC 變流器的控制中構成了同步逆變器。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，得出以下結論。

微電網中第一類負荷突增時，當系統頻率位于同步逆變器的調頻死區內，同步逆變器工作于PQ 模式，不參與微電網的一次調頻響應，可防止因系統頻率頻繁波動給電動汽車電池壽命帶來影響；當系統頻率波動超過調頻死區時，同步逆變器被設定為下垂模式，多臺同步逆變器根據自身阻尼系數比例分配輸出的功率值，為微電網提供電壓和頻率的支撐，且便于微電網電動汽車單元的擴展。本文只涉及應用同步逆變器的多臺電動汽車微電網的一次調頻策略，沒有涵蓋關于多臺電動汽車參與的微電網二次調頻策略的研究，因此未來需進一步學習和探索。