基于自适应参数虚拟同步机控制的电动汽车充电桩设计

苏二号 吕志鹏 单杨

（1.上海电力大学电子与信息工程学院 上海市 200090 2.国网上海能源互联网研究院有限公司 上海市 200126）（3.南京则鸣新能源技术有限公司 江苏省南京市 211505）

由于化石燃料的不断消耗，全球范围内的能源危机和环境问题日益加剧。传统燃油型汽车作为化石燃料的一大消费者，面临着十分巨大的挑战。电动汽车技术的发展使得电动汽车取代传统燃油型汽车已成为大势所趋；然而现如今充电难问题已成为限制电动汽车发展的关键问题之一，中国汽车流通协会发布的《2019 新能源汽车消费市场研究报告》表明，目前新能源车用户对充电体验满意度为各项满意度调研中得分最低，这严重影响了新能源汽车消费体验。充电难问题主要表现在三个方面，一是配套设施少，私人充电桩发展与规划预期相差甚远。二是充电慢。如今充电桩多为交流慢充，根据《2019 北京市新能源汽车充电行为报告》显示，不计排队时间，用户单笔使用公共快充桩充电时长高达1.32h、公共慢充桩充电时长5.09 小时，大容量电池（60-100kW）已经是未来一段时间新能源汽车发展的必然趋势。随着单车带电量的提升，充电慢的问题将进一步成为电动汽车发展的瓶颈。除此之外，电动汽车充电接口接入配电网除会给配电网带来冲击，影响配电网的负荷平衡，电动汽车的投切，会带来大量的功率变化并对配电网电压有所冲击，并且聚集性充电可能导致局部地区的负荷紧张，除拉低电网电压和系统频率外，也会带来大量谐波污染。

为了有效应对电动汽车投切对系统影响的问题，使电动汽车成为更加符合电网需求的“模范负荷”，已有很多文献就此进行了研究，这些研究从电动汽车电网互动（Vehicle to Grid, V2G）、调度策略、电能质量治理等不同角度进行了大量而广泛的研究。有学者从先进控制策略的角度出发，借鉴传统电网中的同步电机技术，将充放电电路等效为与电网交互的自治单元，提出负荷侧虚拟同步机技术，在虚拟电机控制策略的作用下将电动汽车的充放电电路接口等效控制为同步电机，使之具有惯量和阻尼的特性，在充电桩频繁投退的情况下，由于惯性和阻尼的作用不会对配电网电压和频率产生较大影响。但惯量和阻尼参数的选取方面仍有问题，通过设置较大的惯量和阻尼参数虽然能够提供较强的支撑作用，但是恒定的高转动惯量不但可能无法满足物理约束而且会导致系统响应过慢。为了解决上述问题，从虚拟电机控制的灵活性方面出发，可运用转动惯量和阻尼因子自适应的控制方法，根据虚拟角频率的偏移量，采用不同的转动惯量和阻尼系数，从而抑制功率和频率的超调，减小电动汽车充电投切对电网的冲击。

1 本文难点与创新

电动汽车充电桩并网给传统电网带来了诸多挑战，主要体现在：惯性和阻尼不足、引发谐振和次同步振荡等问题。作为联系电动汽车与电网的纽带，对并网逆变器进行虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator, VSG）控制是一种有效的解决方案。VSG 控制能够十分有效的模拟同步发电机的运行特性，从而使得基于电力电子变换器实现并网的发电系统具有与传统同步发电机相似的运行特性。

VSG 可以模拟同步发电机的惯量阻尼特性，一旦出现功率不平衡时，可以利用虚拟惯量和阻尼特性，抑制功率和角频率的超调和振荡，实现平稳过渡。但是当外部扰动较大时，采用传统的VSG控制方法，仍然会出现功率和频率的较大波动，从而使得VSG 系统运行出现异常。这主要是由于两方面原因引起的：一方面，VSG属于电力电子器件，过载能力有限；另一方面，传统VSG 控制下所具有的转动惯量要远远小于传统同发发电机，难以抑制较大的功率冲击。VSG 控制中，通过设置较大的转动惯量虽然能够提供较强的惯性支撑作用，但是恒定的高转动惯量会导致系统响应过慢，反而不利于VSG 系统的正常运行。为了解决上述问题，本文充分考虑惯量和阻尼的各自有益作用，弥补现有的电动汽车虚拟机控制策略的不足，提出一种适用于电动汽车充电桩的虚拟同步机惯性与阻尼参数自适应控制方法。

本文的创新点有以下两点：

1.1 综合惯量系数与阻尼系数的电动汽车充电桩自适应调节

针对现今电动汽车充电桩虚拟机控制策略，提出一种综合虚拟机控制中两项重要参数—惯量系数与阻尼系数的自适应控制策略，使其在电动汽车充电或停止充电的两种特殊状态下根据电网角频率偏移量自行调节这两个参数，更好的抑制系统功率及角频率的震荡。

1.2 从系统的稳态性能与动态性能角度限定参数选择范围

针对以上提出的惯量阻尼系数自适应调节过程，由于电力电子器件承受能力有限，且两项参数选择过大或过小会对系统稳定性存在不利影响，并会一定程度上影响其暂态性能，故提出以上两种参数的选择范围设计方法，使本文提出的设计方法具有实际应用价值。

2 充电桩整体结构设计

图1所示为典型的高-中压配电网结构图，由一个 220kV 变电站、多个110kV 变电站和 35kV 变电站以及多个中压配电网组成。本节拟采用主从控制结构实现高-中压配电网的分布式电压优化控制，其中上层配电网的控制系统为地调 AVC 系统，下层配电网的控制系统为变电站子站。双层配电网基于少量数据通信和分解协调算法，实现全局优化模型的分层分布式计算。相较于全局集中优化控制方法，这种分层分布式计算框架可以显著降低地调 AVC 系统和变电站子站间的通信数据量以及优化计算的复杂度。

图1：充电桩总体方案

本作品的充电桩设计由两级电路构成，以虚拟机控制的三相电压型PWM 整流器构成前级电路，在传统VSG 控制的基础上引入角频率偏移量形成惯量阻尼自适应控制；后级采用高频隔离性直流变换器，保证系统高功率密度运行。充电桩总体方案如图1所示。

本方案在传统VSG 控制的基础上，更加强调惯量阻尼两参数的自适应变化协同调节作用，进一步提升充电桩负荷的柔性，使大容量充电桩在频繁投退的工作情况下依然不会对配电网形成冲击，维持配电母线电压和频率的稳定。

2.1 充电桩前级整流电路方案

充电桩前级整流电路将电网三相交流电整流成为电池充电所需单相直流电，整流电路控制策略采用VSG 控制。本方案在传统VSG 控制中加入角频率偏移量形成惯量阻尼自适应控制，从而弥补了传统定参数条件的VSG 控制的不足之处，既可以使频率恢复的调节时间不至于过长可，又可以减小功率扰动带来的频率下降，最终使得惯量阻尼两参数在自适应变化的条件下更好的配合，发挥协同调节的优势，实现电动汽车的柔性并网。

2.2 充电桩后级直流变换器方案

充电桩前级整流电路输出直流电压600V，不能直接接到电动汽车电池上，因此采用DAB 直流变换器作为后级电路，将前级整流得到的高压直流转变为电动汽车电池可以接受的低压直流。本方案采用DAB 作为后级电路的原因是其可以在大功率、宽电压范围内实现软开关，大大降低系统的开关损耗，使充电桩在高频工作条件下仍能保持高功率密度的能量传递，从而为快充提供可能。直流变换器控制策略采用电压外环和电流内环的双闭环控制实现，将充电桩输出电压稳定到电动汽车额定充电电压48V。

3 控制策略分析

3.1 虚拟同步发电机的基本原理

如图2所示为并网逆变器的主电路及控制结构。Uga、Ugb、Ugc表示的是电网侧三相电压，Lg、Rg表示的是电网侧电感、电阻，Rs，Ls，C 构成的是LC 滤波器，ea、eb、ec表示的是并网逆变器交流侧三相电压，Ua、Ub、Uc表示的是LC 滤波器电容端三相电压，ia、ib、ic表示的是交流侧三相电流，Vdc表示的是直流母线电压，Pref、Qref表示的是并网逆变器输入的参考有功功率和无功功率。虚拟同步机控制模块所得到的是并网逆变器交流侧电压，再经过正弦脉宽调制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）产生脉冲来驱动IGBT 的通断。

图2：并网逆变器主电路及控制结构图

3.2 惯量和阻尼对VSG运行特性的影响

若在给定运行点附近运行，VSG 控制模块可以近似为一个二阶系统，可以利用二阶系统的传递函数模型描述VSG 的有功功率输出特性：

上式中，P 为VSG 实际输出有功功率值，Z 为VSG 至并网点之间的等值阻抗，Pref为VSG 有功功率的指令值，Z=(Rs+Rg)+jω0(Ls+Lg)，E 为VSG 输出三相电压有效值，Ug为并网点处三相电压有效值，J 为转动惯量，ω0是并网点处电网的参考角频率。

该二阶模型的自然振荡角频率ωn和阻尼比ξ 为：

其中D 为阻尼系数。

3.3 自适应转动惯量阻尼的控制策略

文献[1-4]主要论述了一种惯量自适应控制方法，即VSG 能够根据频率变化从而动态调节转动惯量J，当|f-50|>k 时，J 的计算公式为：

上式中，J0为VSG 转动惯量初始给定值，kf为频率跟踪系数，f 为频率，k 为频率变化量限定值，其根据允许频率波动范围来设定，控制原理可以由图3 表示。其中，ω 为VSG 角频率，Td是阻尼转矩，Te为电磁转矩，Tm为机械转矩。

图3：惯量自适应控制原理

这种惯量自适应控制可以有效地减小功率扰动带来的频率下降速率，然而在频率恢复过程中，调节时间大大加长；且没有考虑阻尼因子的有益作用。考虑到以上情况，本文提出一种可以适用于电动汽车充电桩的惯量阻尼自适应控制策略，如图4所示。其中，θ是虚拟同步机转子功角，k1为转动惯量的调整系数。

图4：惯量阻尼自适应控制原理图

3.4 惯量、阻尼参数的选择范围

在本作品的设计方案总，涉及到的自适应参数包括：阻尼参数D，惯量参数J。为了使系统表现出更好的稳定性与动态性能，本节将从这两个角度出发对以上两个参数的选择范围进行约束。

系统的能稳定运行是设计的基本要求之一。为保证系统可以稳定运行，需保证系统的闭环传递函数的全部极点都在s 平面的左半平面，即极点的实部均为负数。通过分析各个参数对系统传递函数的极点的影响，基于特征多项式对系数进行约束，使系统的全部极点均位于s 平面的左半平面，从而得以保证系统稳定运行。

式（1）即为系统闭环传函，由劳斯判据可知系统稳定的充要条件为：

由于ωn>0，Xs>0，Ug>0，E>0，则由式（4）可得J、D 参数的基本选择范围为：

为保证系统的稳定运行，还需考虑其稳定裕度。由于本设计的充电桩系统为二阶系统，其幅值裕度无穷大，因此无需考虑幅值裕度。对其开环传递函数，令s=jω，得：

令A(ω)=1，则求得截止频率ωc。由于ωc和相角频率γ 之间具有推导关系。要使系统获得满意的性能，可以设置相角裕度γ 为30°～60°，根据该相角裕度范围，反推截止频率ωc的范围，最终可求得D 的取值范围。

接下来分析本设计系统的动态性能，这也是保证系统稳定运行的重要条件，尤其当电动汽车投切时稳定运行的重要前提。为了使系统的动态性能达到要求，也需要限制J、D 参数的范围，可以通过限定系统的超调量等动态性能达到目的。

由式（8）知，σ%只与阻尼比ζ 有关。一般，当ζ=0.4 ～0.8 时，σ%介于1.5%～25.4%之间。即

惯量参数的取值范围可以通过代入Tm与Km及式（9）解得。

4 结语

综上可知，本文提出的基于自适应参数虚拟同步机控制的电动汽车充电桩充分利用VSG 的控制特点，综合考虑惯量特性和阻尼特性对VSG 输出特性的协同有益作用，在VSG 受到较大的扰动的情况下，通过抑制频率和功率的振荡，从而改善VSG 的动态响应。