应用同步逆变器的含电动汽车微电网一次调频策略

张钦臻，朱鹏鹏

（上海电力大学 电子与信息工程学院，上海 201306）

随着非可再生能源的消耗，全球范围内能源危机和环境污染问题日益加剧，越来越多清洁、可再生的新能源和储能装置在电力系统中广泛应用，推动了分布式发电技术和微电网的发展。但可再生能源分布式发电的出力受环境因素的影响，具有很强的间歇性、随机性和不连续性。为辅助微电网更好的消纳可再生能源，需配备充足的储能单元，维持系统的稳定性。近几年来，随着电动汽车的普及，电动汽车接入微电网时可作备用储能单元，参与到微电网的控制与运行中，降低了微电网建设和运营成本，也能通过“峰-谷电价”给电动车用户带来一定的经济收益[1]。但大量的电动汽车通过电力电子设备接入微电网，加剧了微电网的电压、频率跌落水平[2]。如何协调控制能量在微电网与电动汽车间的双向流动，为微电网提供必要的功率补充，维持系统的稳定，成为当前研究的热点。

虚拟同步机（virtual synchronous generator，VSG）技术[3]，是将同步机的数学模型引入到AC/DC 变流器的控制中，模拟了传统同步发电机的阻尼、惯性等特性。其中电压型控制的VSG 成为目前研究的主流。文献[4]利用传统同步机的数学模型及其外特性设计了阻尼参数、虚拟惯量等，提出了同步逆变器的概念，使其能很好的模拟传统同步电机的有功-下垂特性及阻尼特性。文献[5]基于同步逆变器设计了微电网的调频策略，实现了具有调频功能的分布式发电单元对微电网频率的调节，但未引入电动汽车作为储能单元参与微电网的频率调整。

本文提出了一种应用同步逆变器技术的一次调频策略，在孤岛模式下通过切换同步逆变器的工作方式可使其主动参与微电网的一次调频控制，同时为微电网提供阻尼、惯量的支撑。当多台电动汽车响应微电网一次调频时，可根据所接同步逆变器的阻尼系数实现缺额功率的自动分配，提升系统稳定性的同时，方便了电动汽车充电单元的扩展。

1 同步逆变器的原理及调频策略

1.1 同步逆变器的控制原理

同步逆变器由功率结构及电子部分组成。功率结构上，如图1 所示。LC 滤波器的电感等效为传统同步机的电子电感；电感的等效电阻和IGBT 的寄生电阻等效为同步机的定子电阻；桥臂中点的电压等效为同步机的内电势。其数学方程可表示为式（1）。

图1 同步逆变器的拓扑结构

式中：eabc为同步机内电势，uabc为同步机的机端电压，iabc为同步机的定子电流，L 为同步机的同步电感，R为同步机的定子电阻。

电子部分，通过采集同步逆变器LC 滤波器的电感电流及电容电压，将同步机的转子摇摆方程引入到控制中，模拟了同步机电压、频率下垂特性，电子部分的控制方程表示为式（2）-（4）：

式中：δ 为同步逆变器的功角，J 为同步逆变器的转动惯量，Te和Tm分别为同步逆变器的电磁、机械转矩，Td为同步逆变器的阻尼转矩，k 为同步逆变器的阻尼系数。

k 阻尼系数，其反映了同步逆变器的有功—频率特性。当同步逆变器工作于下垂模式时，根据微电网的频率来改变各同步逆变器的输出有功功率，实现系统负荷功率的比例分配。

1.2 同步逆变器的工作模式

同步逆变器有PQ 模式和下垂模式两种运行状态。当同步逆变器设定频率为自身参考频率时，其工作于PQ模式跟踪功率设定值向微电网提供功率，不参与微电网一次调频；当设定频率为采集的微电网频率时，同步逆变器工作于下垂模式，其根据微电网运行频率波动值及同步逆变器的阻尼系数自动调节输出的功率，为微电网提供电压和频率的支撑。

1.3 一次调频控制策略

微电网中电动汽车充放电单元具有“源、荷、储”三重属性，采用下垂控制，与传统下垂控制不同，应用同步逆变器技术的电动汽车参与系统一次调频时需考虑充/放电功率频繁波动对电池寿命造成的影响及能否满足用户的出行需求，当系统频率在死区fdeath范围内波动时，同步逆变器工作在PQ 设定模式，电动汽车充/放电单元不响应微电网一次调频需求；当系统频率超出死区范围时，同步逆变器工作在下垂模式，其根据阻尼系数自动调节向微电网输出有功、无功功率，参与微电网的一次调频。

计及调频死区、电动汽车电池荷电状态（SOC）用户出行需求的一次调频控制策略如下：

式中：Pref、P 分别为同步逆变器参考功率设定值和下垂模式下实际功率输出值，k1、k2为电动汽车充放电单元阻尼系数，其取值与电动汽车电池荷电状态（SOC）有关。

式中：kmax电动汽车充电单元阻尼系数的最大值，SOCmin、SOCmax为电动汽车电池荷电状态的上、下限值，SOCprf为用户期望的荷电状态，SOCk为当前时刻荷电状态，当电动汽车电池荷电状态低于最低荷电状态时，不参与一次调频。

考虑多台电动汽车参与微电网的一次调频，当微电网运行于并网状态时，微电网的系统频率和电压被电网所钳制，其缺额功率由电网补充，电动汽车不参与微电网的一次调频。当微电网运行于孤岛模式时，其频率由多台应用同步逆变器技术的电动汽车阻尼系数及系统负荷所决定，系统的有功—频率特性曲线满足下式：

式中：P∑为微电网中负荷有功功率总和；Pn为微电网中分布式电源及电动汽车充放/电单元额定功率；kj为参与一次调频时同步逆变器的阻尼系数。

2 仿真分析

2.1 模型的建立

为验证本文提出的应用同步逆变器的电动汽车一次调频策略的有效性，在Matlab/Simulink 仿真平台中搭建了如图2 所示的微电网仿真模型。其中DG1 为风力分布式电源，最大有功功率为30kW；DG2 为光伏分布式电源，其最大有功功率为20kW；同步逆变器最大充电功率10kW、最大放电功率8kW。三台电动汽车的动力电池均为磷酸铁锂电池，额定端电压400V，额定容量80A·h，微电网仿真电路的参数如表1 所示。

按照以下时序仿真：0-1s 时，DG1、DG2 以最大功率发电，三台同步逆变器以8kW、8kW、10kW 依次并网运行；2s 时，微电网接入负荷2；3s 时，微电网转入孤岛运行；4s 时，微电网接入负荷3；5s 时，结束仿真。

2.2 一次调频特性分析

由图3（a）可知，1s-3s 时微电网处于并网运行模式，其电压频率被电网所钳制，2s 时负荷2 的投入，系统频率由50Hz 下降至49.91Hz，经0.18 秒的调整恢复到50Hz。三台电动汽车不响应微电网调频需求，由电网向微电网补充3kW 的功率缺额。

3s 时，微电网运行于孤岛模式，负荷2 的接入导致系统频率产生偏差。EV1 无调频死区，其同步逆变器工作于下垂模式，充电功率降低到5kW，参与微电网的一次调频；EV2 存在0.1Hz 的调频死区，频率波动范围处于其调频死区、EV3 荷电状态低于最低限值，两台电动汽车充电功率保持不变，不参与微电网的一次调频任务，系统频率经0.14s 调整，由49.1Hz 上升至49.93Hz。

4s 时，负荷3 接入微电网，系统频率差值超出EV2调频死区，EV1、EV2 均响应微电网的一次调频需求。此时EV1 充电功率随频率的波动下降至2.7kW；EV2 充电功率稳定于5.34kW：EV3 荷电状态低于设定值的最低限制，其充电功率保持不变。由仿真分析可知多台应用同步逆变器的电动汽车输出功率依照其同步逆变器的阻尼参数k 进行比例分配，为微电网提供电压和频率支撑。

图3 一次调频仿真结果

3 结束语

本文提出应用同步逆变器的电动汽车一次调频策略，将同步机的相关理论及算法引入到AC/DC 变流器的控制中构成了同步逆变器。其模拟了同步电磁特性和机电特性，具备一定的阻尼和惯量支撑作用，通过Matlab/Simulink 仿真平台进行仿真验证，得出以下结论。

微电网中第一类负荷突增时，当系统频率位于同步逆变器的调频死区内，同步逆变器工作于PQ 模式，不参与微电网的一次调频响应，可防止因系统频率频繁波动给电动汽车电池寿命带来影响；当系统频率波动超过调频死区时，同步逆变器被设定为下垂模式，多台同步逆变器根据自身阻尼系数比例分配输出的功率值，为微电网提供电压和频率的支撑，且便于微电网电动汽车单元的扩展。本文只涉及应用同步逆变器的多台电动汽车微电网的一次调频策略，没有涵盖关于多台电动汽车参与的微电网二次调频策略的研究，因此未来需进一步学习和探索。