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。
abc汽车网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
摘要：随着电动汽车的大量普及，针对转换电动汽车的“源、荷、储”属性，使其参与微电网的频率调整，提出了一种应用同步逆变器技术的一次调频策略。孤岛模式下通过切换同步逆变器的工作方式可使其根据自身阻尼系数主动参与微电网的一次调频控制，为微电网提供必要的阻尼和惯性。最后，在MATLAB/Simulink平台搭建了一个含3台不同荷电状态的电动汽车及3个负载的微电网模型。实验结果
表明，所提出的一次调频策略能实现能量在电动汽车与微电网间双向流动，提升了微电网运行的稳定性。
关键词：虚拟同步机；同步逆变器；微电网；电动汽车；一次调频
中图分类号:TM92文献标志码:A文章编号:2095-2945(2021)12-0105-04
Abstract:With the popularity of electric vehicles,a primary frequency modulation strategy based on synchronous inverter technology is proposed,aiming at converting the"source,charge and storage"properties of electric vehicles to participate in the frequency adjustment of microgrid.In the isolated island mode,the synchronous inverter can actively participate in the primary frequency modulation control of the micro-grid according to its own damping coefficient by switching the working mode,which provides the necessary damping and inertia for the micro-grid.Finally,a micro-grid model with3electric vehicles and3loads in different charging states was built on MATLAB/Simulink platform.Experimental results show that the proposed primary frequency modulation strategy can realize the two-way flow of energy between EVs and microgrid,and improve the stability of microgrid operation.
Keywords:virtual synchronous generator;synchronous inverter;microgrid;electric vehicle(EV);primary
frequency control
作者简介：张钦臻（1995-），男，硕士研究生，研究方向：智能电网、新能源发电控制；朱鹏鹏（1994-），男，硕士研究生，研究方向：微电网智能控制。
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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）。
L di abc dt
=e abc -u abc -Ri abc
（1）
式中：e abc 为同步机内电势，u abc 为同步机的机端电
压，i abc 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。
range什么意思电子部分，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）：
ω=d δ
dt
J d ωdt
=T m -T e -k （ω-ωn ）⎧⎩
⏐
⏐⏐⏐⏐⏐⎨⏐⏐⏐⏐⏐⏐（2）
T e =P e ω=（e a i a +e b i b +e c i c ）（3）
T m =P ref
ω
（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，T e 和T m 分别为同步逆变器的电磁、机械转矩，T d 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
大众自动变速箱同步逆变器有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f death 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：
（5）
式中：P ref 、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，k 1、k 2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。
（6）
式中：k max 电动汽车充电单元阻尼系数的最大值，
SOC min 、
SOC max 为电动汽车电池荷电状态的上、下限值，
SOC prf 为用户期望的荷电状态，SOC k 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
雷凌价格决定，
系统的有功—频率特性曲线满足下式：P ∑=∑i=1n
P ni 4π2f n （f n -f
）∑j=1n
k j （7）
式中：P ∑为微电网中负荷有功功率总和；P n 为微电网中分布式电源及电动汽车充放/电单元额定功率；k j 为参与一次调频时同步逆变器的阻尼系数
。
图1同步逆变器的拓扑结
构
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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。
表1仿真参数
图2微电网仿真模型
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。
（a）微电网频率
（b）微电网有功功率输出
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（c）电动汽车的充电功率
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
参数数值参数数值直流母线电压U dc700V 单元1阻尼参数20
交流额定电压U n311V 单元2阻尼参数10
微电网额定频率50Hz 单元3阻尼参数10 滤波电感L 25mH SOC限值(%) [30 100] 滤波电容C 1m F EV1的SOC 60
并网电感L g450m H EV2的SOC 40
并网电阻R 0.1ΩEV3的SOC 20
t/s
t/s
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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。参考文献:
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改进的PID神经元网络解耦取料恒流量控制效果如下图6所示。可以看出，改进的PID神经元网络控制方案对取料恒流量控制取得了满意的效果，控制量可以快速接近控制目标，且响应时间较短。
图6改进的PID神经元网络控制结果
在作业过程中扫描仪进行实时建模并与PLC进行数据交互，根据不同煤种与实际情况调整作业参数，如堆料限高、回转角度，补堆完成判断、修坡完成判断、边界判断，以提高作业效率，提高场地利用率，提高作业稳定性，增加安全性。
5结论
改进控制方案采用固定式激光盘煤仪进行实时扫描，在作业过程中实时建模并与PLC进行数据交互。在堆料过程中，定点堆料初期利用激光扫描仪计算实际自然堆积角，并利用此参数计算相应堆料限高
、堆料回转角度。扫描仪实时判断是否完成补堆过程以及是否到达堆料边界，并给予报警。取料过程中，激光扫描仪以模型数据呈现的角度实时判断是否完成修坡过程。
优化的控制方案可根据不同煤种与实际情况调整作业参数，如堆料限高、回转角度，补堆完成判断、修坡完成判断，边界判断，以提高作业效率，提高场地利用率，提高作业稳定性，增加安全性。
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