基于改进VSG技术双向充电桩控制策略研究

曹彦哲 张路 刘耿博 西安麦格米特电气有限公司

燃油汽车由于高耗能、高排放等缺点正逐渐被新能源汽车所取代。未来电动汽车的大规模使用，必定对电网造成冲击，影响生活用电质量。电动汽车能够储能，同时也能进行供能，但是传统的控制技术无法保证充放电接口稳定性，对此提出VSG技术，使用该技术对汽车的控制技术进行优化，增加系统的稳定性，保障系统兼顾调压调频，实现有效控制。

一、控制系统整体结构

由于电能汽车既能作为储能单元，同时能够为汽车电源提供分布式供能。当电网低谷状态，电动汽车能够作为其单元消纳电网能量；电网处于峰值阶段，则能够按照分布式供能，保障电网运行。分布式能源与电网之间，需要借助双向变换器进行转换，保证接口的稳定性。传统控制技术多为恒功率控制，当大规模电动汽车同时充电，电网无法维持稳定性，造成电力波动，影响了电网系统的稳定性。针对这一问题，有学者惯性的提出了虚拟同步机控制技术（VSG）。与传统汽车的逆变器控制相比较，VSG操控起来更加简单，同时更有利于建模。为了保证阻尼与惯性作用，并兼容系统的稳定性。本文益处电压型虚拟同步电机控制算法，兼顾电压与频率调节，但是忽略了系统的动态性能。针对于当前大多数的汽车并网背景，提出改进措施。通过VSG技术将变化器模拟成同步电机，并结合模型预测控制算法，对系统电流值进行预测，针对参考电流与预测电流进行优化，提高系统动态响应能力。同时满足阻尼与惯性作用，兼顾调压调频，提高充放电效率[1]。

二、改进VSG技术控制的措施

（一）VSG模型建立

1.调速器设计

系统频率能够稳定运行，是保证系统稳定的关键。其中控制系统中，调速器对于保障系统稳定性发挥了关键作用。调速控制器能够根据功率负荷变化，对功率进行调整，保证系统维持在稳定的频率状态下，实现稳定运行。根据同步电机的有功频率，保证虚拟同步机的调速器得到优化，提高系统运行质量。

2.调压器设计

与有功平衡相似，系统无功功率直接影响到电网运行质量，会造成电压运行不稳定。对此，保证无功平衡对于系统稳定性也起到重要作用。无功平衡在系统中的主要作用，是负责控制电压稳定，与系统产生的无功功率消耗相等，根据模拟同步机获得VSG对于无功电压的控制框如图1所示。

图1 调压器控制结构图

3.虚拟转子设计

根据图1的电路结构图，计算虚拟同步机的转子方程，能够确定转子方程为：

其中公式中的P类参数代表VSG运行产生的机械功率与电磁功率；T类参数代表机械转矩、阻尼转矩等；J为转动惯量；e为电动势；i为输出电流；ω为电网角速度；D为阻尼系数；q为相位角；t则代表时间。根据公式（1）转化出（2），公式如下：

根据公式（2）能够获得虚拟同步机的有功功率指令，主要注意的是此处的阻尼系数与转动惯量，能够保证虚拟阻尼与惯性得以实现，并改善系统实际运行时频率的波动。根据公式计算，能够得到虚拟转子角速度，并知晓转子角速度与功率之间的关系，为电流生成模块提供参考数据。

（二）参考电流生成模块

根据图1所示，基于电路拓扑结构可以建立对应的数学模型，具体公式如下：；公式中的L与R 分别为滤波电感和电阻；ua等代表电网电压，根据模型构建情况，需要保证模型交流侧为时变参数，并变更电流、电压的坐标，实现无静差控制[2]。根据公式（3）获得静止坐标，构建变换器的模型公式：；公式中的原有电动势，在经过变换后成为VDG电动势；电网电压则成为变换后的电压。此时将三相电流进行交换，获取两相旋转坐标电流，根据公式（3）计算的电压参考值，通过控制获得旋转坐标的电流，依据虚拟同步控制与电流参考，能够模拟出电动汽车实际充放电时的参考电流，根据生成的木块，为后续的模型预测控制提供参考数据，提高控制优化质量。

（三）模型预测控制策略

与传统虚拟同步电机相比较，本文利用MPC算法，与VSG结合，对模型电流进行预测和控制，实现滚动优化，提高应用的实时性。

模型预测的目的在于保证参考电流与预测电流，两者存在的差值能够为系统开关选择最佳组合提供参考，因此定义开关的公式为：；由于本次采用三相变换器，拥有三个桥臂，对应不同的开关组合，开关与电压矢量具体关系为：； 根据公式能够获取到不同的电压矢量，同时由于均为零矢量，因此可以判断e0与e7相等。则输出电压矢量变换坐标轴为：

假设系统实际采样周期较小，采用前向差分原理对逆变器模型的微分项进行表述：；将公式（8）代入公式（7）中，能够获得电动汽车充放电电流，形成下一刻预测的模型：；公式中Ts代表采样周期。

根据变换器不同的开关组合状态，能够尝试出多种电压矢量类型。为了保证预测结果与实际结果之间的误差值最小，保证控制质量。根据参考和预测电流差值科学选择电压矢量，将其作为控制信号，并对其价值函数进行设计。基于公式；根据表1得知不同电流的ab轴分量，并且函数g的值越小，控制效果越好。通过建立模型，对VSG进行优化控制，提高电流预测值与参考值的差值，提高系统的系统动态性能。

表1 电流分量

三、仿真分析

基于仿真平台搭建传统VSG与MPC双层控制模型，确保对电动汽车储能系统进行控制。系统整体采用三相电与双向控制系统构成，仿真算法中：ode45，J=1，D=20，Kp=200，K1=200。电池充满情况下电压参数为300V，额定电压200V，具体如表2所示。

表2 电路参数

假设正方向为放电方向，能够发现断路器在0.5s时出现合闸的现象。对此设定1-3s时分别设定参考充放电功率为2、5、10kW，并选择50辆改动的电动汽车进行改进，根据仿真试验，能够发现内部频率处于2-3s之间，功率参数徒增，导致系统开始波动，之后很快恢复到额定频率并与其一致。随着充放电功率在2-3s内增加，能够提升汽车电池的剩余电量SOC值，呈现出先提升后降低的趋势。剩余电量斜率增加，使得充放电速度加快；基于不同规模的电动汽车进行并网连接，能够发现汽车数量与电网频率波动成正比，数量越多频率波动越大；VSG输出电压与电网的差值，能够在控制器的实际控制下避免并网造成的冲击，实现快速减小差值，使电动汽车通过充电桩顺利接入电网[3]。

根据两种情况优化系统，对其调频能力进行仿真试验。首先设置电网频率为50/Hz，保持初始电压为基准电压（1.02）；另一种则是设置电动汽车剩余电量在80%，汽车数量为25。能够发现电网处于第一种情况，电压高于额定电压，2-3s是其频率攀升到稳定的过程。在这一过程中，电动汽车能够始终处于充电的状态，并自动与电网连接吸收存储电能，提高电池的电量；当电网处于第二种情况，能够发现电压小于额定电压。2-3s是其频率降低到稳定的过程，在这一过程中，电动汽车始终处于放电状态，并为电网提供电能，保障电网频率的稳定性，汽车的电池电量随之减少。电压与输出电压差值在到达0.5s时出现变化，经过合闸减小到零。本文提到的方法，能够根据电网运行的实际情况，对电网频率作出调整，有效缓解系统造成的波动影响。

对此基于同样情境对传统VSG进行仿真，结合算法对充电产生的频率波形进行对比。经过对VSG优化，能够显著提高系统的响应速度，保持稳定的运行状态。并且在1-3s内，随着功率增加，频率波动随之增加。验证了改进后的VSG算法造成的系统波动，明显小于传统VSG算法。

分别采用两种算法，对充电时的电流对网侧电流谐波进行分析，能够发现传统算法占据优化VSG电流一半，也说明了改进后的VSG方法，能够有效对汽车充电时的谐波进行控制，提高电网的供电质量。根据仿真结果能够知晓，本文提出的控制算法，能够有效的对系统波动进行控制，形成实时的跟踪，提高系统的动态性能，有效对电网频率进行调节，控制电网充电时的电压与频率，提高供电质量。也能够看出基于双向充电桩进行VSG优化，能够对电网频率进行有效调节，减少波动频率。通过VSG与MPC双层控制，合理对电力变换器进行控制，提高系统运行的稳定性。

四、结论

综上所述，根据V2G模式的电动汽车充放电为背景，对汽车的双向充电桩提出优化改进措施。经过优化的系统能够更有效的吸收电能，调节电网频率，保障用户的用电质量。采用模型预测与虚拟同步机结合、传统算法等实时性不足，针对电网的运行模式应是动态化反馈。因此，建立预测模型能够更有效的反映出实际结果。并且保证控制简单，提高系统性能，保证控制的有效性。