唐海國(guó)，周可慧，張帝

（1. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)沙 410007；2. 國(guó)網(wǎng)配電網(wǎng)智能化應(yīng)用及關(guān)鍵設(shè)備聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410007）

引言

目前，我國(guó)石油資源儲(chǔ)量不足，且嚴(yán)重依賴進(jìn)口，但是能源消耗量卻在不斷增加，這已經(jīng)成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的關(guān)鍵因素[1]。在石油消耗方面，交通運(yùn)輸占據(jù)了主要部分，大量的燃油機(jī)動(dòng)車不但加劇了石油短缺問(wèn)題，還引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境污染，是碳排放的重要來(lái)源，在“雙碳”目標(biāo)下，加速電動(dòng)汽車（Electric Vehicle,EV）對(duì)燃油車的替換是我國(guó)當(dāng)前的重要任務(wù)[2]。

隨著電動(dòng)汽車數(shù)量的增長(zhǎng)，未來(lái)必將面臨電動(dòng)汽車通過(guò)充電樁同時(shí)大規(guī)模接入電網(wǎng)的狀況，此時(shí)，電動(dòng)汽車可作為大規(guī)模儲(chǔ)能設(shè)備，通過(guò)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(shí)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(dòng)汽車放電時(shí)，動(dòng)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(jī)不同，逆變裝置具有響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，大規(guī)模的電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)會(huì)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(jī)（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(jī)組的機(jī)電暫態(tài)特性，使采用逆變器的電源具有類似真實(shí)發(fā)電機(jī)的慣量和阻尼，可用于大規(guī)模電動(dòng)汽車儲(chǔ)能控制過(guò)程中，增加系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性[6]。傳統(tǒng)VSG 方案的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：將同步電機(jī)機(jī)械方程與頻率-有功下垂控制器級(jí)聯(lián)，下垂控制器的輸出被當(dāng)作同步電機(jī)需要輸出的機(jī)械功率，實(shí)時(shí)反饋的電網(wǎng)有功功率被當(dāng)作同步電機(jī)的真實(shí)輸出功率，并將它們代入同步電機(jī)機(jī)械方程，且輸出值作為控制電壓相位直接用于調(diào)制計(jì)算中?？梢钥闯?，傳統(tǒng)VSG 控制器是在同步電機(jī)物理概念的基礎(chǔ)上提出的，為保證每個(gè)中間變量都有明確的物理意義，每個(gè)環(huán)節(jié)必須按照固定方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(wú)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(dòng)控制理論角度來(lái)看，VSG 控制器本身為具有延時(shí)作用的二階控制器，它通過(guò)降低系統(tǒng)帶寬來(lái)削弱高頻信號(hào)的影響，提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的同時(shí)降低頻率動(dòng)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(méi)有從控制角度說(shuō)明其性質(zhì)，一定程度上導(dǎo)致研發(fā)和改進(jìn)新型控制結(jié)構(gòu)的進(jìn)展緩慢。

本文提出了一種基于VSG 新視角的大規(guī)模電動(dòng)汽車儲(chǔ)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(shí)，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(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)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(jì)新型電網(wǎng)頻率控制方案，首先對(duì)傳統(tǒng)VSG 控制本質(zhì)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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(dòng)汽車儲(chǔ)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(dòng)力電池組通過(guò)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(fù)載等效電阻和電感，Va,b,c, Ia,b,c為利用隔離檢測(cè)裝置測(cè)得的電網(wǎng)三相電壓和電流，利用電壓和電流信息可計(jì)算得到系統(tǒng)頻率f，有功功率P 和無(wú)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(duì)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(guò)頻率-有功下垂控制器調(diào)節(jié)輸出為機(jī)械功率偏差ΔP，將ΔP 與額定有功功率PN的和作為同步電機(jī)需要輸出的機(jī)械功率Pt，而電網(wǎng)實(shí)時(shí)有功功率P 作為發(fā)電機(jī)電磁功率，經(jīng)過(guò)機(jī)械方程后，產(chǎn)生同步電機(jī)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(jī)物理意義建立起來(lái)的，但從控制理論角度來(lái)看，圖1 中機(jī)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(duì)數(shù)幅頻特性曲線（Bode 圖）如圖2 所示。

圖2 二階控制器對(duì)數(shù)幅頻特性曲線

可以看出，二階控制器的相角全為負(fù)值，系統(tǒng)相角裕度會(huì)降低；同時(shí)幅值存在由正到負(fù)的過(guò)程，這表明整個(gè)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(wú)限帶寬的情形。頻率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)帶寬降低，會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時(shí)能夠減小高頻噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響，增加系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能[11]，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)物理意義的影響，將功率反饋?zhàn)鳛橥猸h(huán)頻率一次調(diào)節(jié)，而將頻率反饋?zhàn)鳛閮?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(guò)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(jìn)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(duì)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(kāi)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提出的基于VSG 新視角的控制方法的有效性，同時(shí)說(shuō)明VSG 技術(shù)的控制本質(zhì)，對(duì)兩個(gè)案例分別進(jìn)行對(duì)比研究，即對(duì)傳統(tǒng)VSG 和基于VSG 新視角的控制方法進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)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(shuō)明本文所提出的將同步電機(jī)機(jī)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(duì)仿真過(guò)程進(jìn)行如下簡(jiǎn)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(wú)限直流電壓源，③只考慮電網(wǎng)的負(fù)載效應(yīng)。測(cè)試過(guò)程如下：設(shè)置電網(wǎng)負(fù)載為純阻性負(fù)載，額定無(wú)功功率為0，設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)為1 s，在額定負(fù)載條件下啟動(dòng)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，對(duì)比額定狀態(tài)下兩種控制方法的性能；在0.5 s，負(fù)載突變至150 %額定值，對(duì)比兩種控制方案在瞬態(tài)條件下的功率和頻率特性，并對(duì)比再次達(dá)到穩(wěn)定時(shí)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(wú)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(dòng)后，系統(tǒng)狀態(tài)都維持在額定工作點(diǎn)，且波動(dòng)很?。辉?.5 s 突加負(fù)載后，電壓和頻率都產(chǎn)生了波動(dòng)，其中，電壓波動(dòng)范圍為（170～250）V，頻率偏差最大值為0.4 Hz，在經(jīng)過(guò)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(fù)載突變時(shí)表現(xiàn)出了不同的瞬態(tài)性能，具體而言，電壓波動(dòng)范圍變?yōu)椋?73 ～255）V，頻率最大偏差降低，只有0.25 Hz，說(shuō)明基于VSG 新視角的控制對(duì)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(shuō)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(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，搭建一套基于RT-Lab 的低壓測(cè)試平臺(tái)（案例2），平臺(tái)系統(tǒng)參數(shù)如表2 所示，電網(wǎng)負(fù)載仍為純電阻，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為2.0 s，系統(tǒng)帶額定負(fù)載啟動(dòng)穩(wěn)定后，在1.0 s 直接加載至120 %負(fù)載，比較傳統(tǒng)VSG 與改進(jìn)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(duì)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(fù)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(dòng)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(guò)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(qiáng)的控制能力，和傳統(tǒng)VSG 控制一樣，在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)過(guò)程都具有很強(qiáng)的抑制波動(dòng)與頻率偏移能力，這說(shuō)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?jī)?nèi)容及貢獻(xiàn)總結(jié)如下：

1）針對(duì)大規(guī)模電動(dòng)汽車儲(chǔ)能系統(tǒng)，解釋了放電過(guò)程中傳統(tǒng)VSG 頻率二次調(diào)節(jié)的本質(zhì)，將同步電機(jī)機(jī)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(jìn)行變形，將功率反饋?zhàn)鳛橥猸h(huán)一次頻率調(diào)節(jié)，將頻率反饋?zhàn)鳛閮?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(shí)驗(yàn)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(kāi)發(fā)新型頻率控制結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。