基于改進VSG技術雙向充電樁控制策略研究

曹彥哲 張路 劉耿博 西安麥格米特電氣有限公司

燃油汽車由于高耗能、高排放等缺點正逐漸被新能源汽車所取代。未來電動汽車的大規模使用，必定對電網造成沖擊，影響生活用電質量。電動汽車能夠儲能，同時也能進行供能，但是傳統的控制技術無法保證充放電接口穩定性，對此提出VSG技術，使用該技術對汽車的控制技術進行優化，增加系統的穩定性，保障系統兼顧調壓調頻，實現有效控制。

一、控制系統整體結構

由于電能汽車既能作為儲能單元，同時能夠為汽車電源提供分布式供能。當電網低谷狀態，電動汽車能夠作為其單元消納電網能量；電網處于峰值階段，則能夠按照分布式供能，保障電網運行。分布式能源與電網之間，需要借助雙向變換器進行轉換，保證接口的穩定性。傳統控制技術多為恒功率控制，當大規模電動汽車同時充電，電網無法維持穩定性，造成電力波動，影響了電網系統的穩定性。針對這一問題，有學者慣性的提出了虛擬同步機控制技術（VSG）。與傳統汽車的逆變器控制相比較，VSG操控起來更加簡單，同時更有利于建模。為了保證阻尼與慣性作用，并兼容系統的穩定性。本文益處電壓型虛擬同步電機控制算法，兼顧電壓與頻率調節，但是忽略了系統的動態性能。針對于當前大多數的汽車并網背景，提出改進措施。通過VSG技術將變化器模擬成同步電機，并結合模型預測控制算法，對系統電流值進行預測，針對參考電流與預測電流進行優化，提高系統動態響應能力。同時滿足阻尼與慣性作用，兼顧調壓調頻，提高充放電效率[1]。

二、改進VSG技術控制的措施

（一）VSG模型建立

1.調速器設計

系統頻率能夠穩定運行，是保證系統穩定的關鍵。其中控制系統中，調速器對于保障系統穩定性發揮了關鍵作用。調速控制器能夠根據功率負荷變化，對功率進行調整，保證系統維持在穩定的頻率狀態下，實現穩定運行。根據同步電機的有功頻率，保證虛擬同步機的調速器得到優化，提高系統運行質量。

2.調壓器設計

與有功平衡相似，系統無功功率直接影響到電網運行質量，會造成電壓運行不穩定。對此，保證無功平衡對于系統穩定性也起到重要作用。無功平衡在系統中的主要作用，是負責控制電壓穩定，與系統產生的無功功率消耗相等，根據模擬同步機獲得VSG對于無功電壓的控制框如圖1所示。

圖1 調壓器控制結構圖

3.虛擬轉子設計

根據圖1的電路結構圖，計算虛擬同步機的轉子方程，能夠確定轉子方程為：

其中公式中的P類參數代表VSG運行產生的機械功率與電磁功率；T類參數代表機械轉矩、阻尼轉矩等；J為轉動慣量；e為電動勢；i為輸出電流；ω為電網角速度；D為阻尼系數；q為相位角；t則代表時間。根據公式（1）轉化出（2），公式如下：

根據公式（2）能夠獲得虛擬同步機的有功功率指令，主要注意的是此處的阻尼系數與轉動慣量，能夠保證虛擬阻尼與慣性得以實現，并改善系統實際運行時頻率的波動。根據公式計算，能夠得到虛擬轉子角速度，并知曉轉子角速度與功率之間的關系，為電流生成模塊提供參考數據。

（二）參考電流生成模塊

根據圖1所示，基于電路拓撲結構可以建立對應的數學模型，具體公式如下：；公式中的L與R 分別為濾波電感和電阻；ua等代表電網電壓，根據模型構建情況，需要保證模型交流側為時變參數，并變更電流、電壓的坐標，實現無靜差控制[2]。根據公式（3）獲得靜止坐標，構建變換器的模型公式：；公式中的原有電動勢，在經過變換后成為VDG電動勢；電網電壓則成為變換后的電壓。此時將三相電流進行交換，獲取兩相旋轉坐標電流，根據公式（3）計算的電壓參考值，通過控制獲得旋轉坐標的電流，依據虛擬同步控制與電流參考，能夠模擬出電動汽車實際充放電時的參考電流，根據生成的木塊，為后續的模型預測控制提供參考數據，提高控制優化質量。

（三）模型預測控制策略

與傳統虛擬同步電機相比較，本文利用MPC算法，與VSG結合，對模型電流進行預測和控制，實現滾動優化，提高應用的實時性。

模型預測的目的在于保證參考電流與預測電流，兩者存在的差值能夠為系統開關選擇最佳組合提供參考，因此定義開關的公式為：；由于本次采用三相變換器，擁有三個橋臂，對應不同的開關組合，開關與電壓矢量具體關系為：； 根據公式能夠獲取到不同的電壓矢量，同時由于均為零矢量，因此可以判斷e0與e7相等。則輸出電壓矢量變換坐標軸為：

假設系統實際采樣周期較小，采用前向差分原理對逆變器模型的微分項進行表述：；將公式（8）代入公式（7）中，能夠獲得電動汽車充放電電流，形成下一刻預測的模型：；公式中Ts代表采樣周期。

根據變換器不同的開關組合狀態，能夠嘗試出多種電壓矢量類型。為了保證預測結果與實際結果之間的誤差值最小，保證控制質量。根據參考和預測電流差值科學選擇電壓矢量，將其作為控制信號，并對其價值函數進行設計。基于公式；根據表1得知不同電流的ab軸分量，并且函數g的值越小，控制效果越好。通過建立模型，對VSG進行優化控制，提高電流預測值與參考值的差值，提高系統的系統動態性能。

表1 電流分量

三、仿真分析

基于仿真平臺搭建傳統VSG與MPC雙層控制模型，確保對電動汽車儲能系統進行控制。系統整體采用三相電與雙向控制系統構成，仿真算法中：ode45，J=1，D=20，Kp=200，K1=200。電池充滿情況下電壓參數為300V，額定電壓200V，具體如表2所示。

表2 電路參數

假設正方向為放電方向，能夠發現斷路器在0.5s時出現合閘的現象。對此設定1-3s時分別設定參考充放電功率為2、5、10kW，并選擇50輛改動的電動汽車進行改進，根據仿真試驗，能夠發現內部頻率處于2-3s之間，功率參數徒增，導致系統開始波動，之后很快恢復到額定頻率并與其一致。隨著充放電功率在2-3s內增加，能夠提升汽車電池的剩余電量SOC值，呈現出先提升后降低的趨勢。剩余電量斜率增加，使得充放電速度加快；基于不同規模的電動汽車進行并網連接，能夠發現汽車數量與電網頻率波動成正比，數量越多頻率波動越大；VSG輸出電壓與電網的差值，能夠在控制器的實際控制下避免并網造成的沖擊，實現快速減小差值，使電動汽車通過充電樁順利接入電網[3]。

根據兩種情況優化系統，對其調頻能力進行仿真試驗。首先設置電網頻率為50/Hz，保持初始電壓為基準電壓（1.02）；另一種則是設置電動汽車剩余電量在80%，汽車數量為25。能夠發現電網處于第一種情況，電壓高于額定電壓，2-3s是其頻率攀升到穩定的過程。在這一過程中，電動汽車能夠始終處于充電的狀態，并自動與電網連接吸收存儲電能，提高電池的電量；當電網處于第二種情況，能夠發現電壓小于額定電壓。2-3s是其頻率降低到穩定的過程，在這一過程中，電動汽車始終處于放電狀態，并為電網提供電能，保障電網頻率的穩定性，汽車的電池電量隨之減少。電壓與輸出電壓差值在到達0.5s時出現變化，經過合閘減小到零。本文提到的方法，能夠根據電網運行的實際情況，對電網頻率作出調整，有效緩解系統造成的波動影響。

對此基于同樣情境對傳統VSG進行仿真，結合算法對充電產生的頻率波形進行對比。經過對VSG優化，能夠顯著提高系統的響應速度，保持穩定的運行狀態。并且在1-3s內，隨著功率增加，頻率波動隨之增加。驗證了改進后的VSG算法造成的系統波動，明顯小于傳統VSG算法。

分別采用兩種算法，對充電時的電流對網側電流諧波進行分析，能夠發現傳統算法占據優化VSG電流一半，也說明了改進后的VSG方法，能夠有效對汽車充電時的諧波進行控制，提高電網的供電質量。根據仿真結果能夠知曉，本文提出的控制算法，能夠有效的對系統波動進行控制，形成實時的跟蹤，提高系統的動態性能，有效對電網頻率進行調節，控制電網充電時的電壓與頻率，提高供電質量。也能夠看出基于雙向充電樁進行VSG優化，能夠對電網頻率進行有效調節，減少波動頻率。通過VSG與MPC雙層控制，合理對電力變換器進行控制，提高系統運行的穩定性。

四、結論

綜上所述，根據V2G模式的電動汽車充放電為背景，對汽車的雙向充電樁提出優化改進措施。經過優化的系統能夠更有效的吸收電能，調節電網頻率，保障用戶的用電質量。采用模型預測與虛擬同步機結合、傳統算法等實時性不足，針對電網的運行模式應是動態化反饋。因此，建立預測模型能夠更有效的反映出實際結果。并且保證控制簡單，提高系統性能，保證控制的有效性。