基于功率環解耦的充電樁并網穩定性研究

摘" 要：隨著電動汽車的普及發展，充電樁并網穩定性問題亟待解決。文章采用VSG控制方案，首先分析電網電壓、頻率以及線路阻抗對功率環耦合程度的影響，引入虛擬負阻抗對功率環進行解耦設計，實現功率穩定饋送。同時，在分別設置電網的對稱故障和不對稱故障兩種工況下，進行該控制方案應對主網振蕩時穩定運行的可行性研究。基于虛擬負電阻功率環解耦設計的VSG控制方案能夠更好地實現電動汽車充電樁穩定并網，提高了其應對主網故障的靈活自控能力。

關鍵詞：功率環解耦;虛擬負電阻法;VSG;電動汽車充電樁

中圖分類號：TM712" " " " 文獻標志碼：A" " " " "文章編號：2095-2945（2021）13-0064-03

Abstract： With the popularization and development of electric vehicles， the stability of charging piles connected to the grid needs to be solved urgently. In this paper， the VSG control scheme is adopted. Firstly， the influence of grid voltage， frequency and line impedance on the coupling degree of the power loop is analyzed， and the virtual negative impedance is introduced to decouple the power loop to realize the power stable feed. At the same time， under the two working conditions of symmetrical fault and asymmetric fault， the control scheme should deal with the feasibility study of stable operation of the main network during oscillation. The VSG control scheme based on the decoupling design of virtual negative resistance power loop can better realize the stable connection of electric vehicle charging piles and improve its flexible self-control ability to deal with main network faults.

Keywords： power loop decoupling; virtual negative resistance method; VSG; electric vehicle charging pile

近年來，電動汽車充電樁作為源、荷可切換的靈活配電終端，成為緩解一次能源需求，平衡用電需求的關鍵研究節點。目前，主要應用虛擬同步機技術[1-4]（Virtual Synchronous Generator， VSG），但線路阻抗比R/X較高的配電網應首先進行功率耦合。文獻[5]引入線性坐標旋轉正交變換矩陣TPQ。文獻[6]提出基于目標函數對角化的解耦方法。文獻[7]基于相對增益矩陣，加入前饋補償以消除耦合通道。文獻[8]提出一種可松弛小功角約束下的動態電流前饋功率解耦方法。文獻[9]提出的虛擬電感解耦方案，是基于功角變化引起的無功波動量進行計算。文獻[10-11]提出了基于二階函數的改進虛擬負電阻解耦方法，增強了系統對線路參數變化的魯棒性，且不需要對系統線路阻抗進行精確測量。綜上，采用虛擬阻抗法可以取得較好的功率解耦效果[12-16]。

本文針對電動汽車充電樁采用VSG控制策略，首先分析電網電壓、頻率以及線路阻抗對功率環耦合程度的影響，采用虛擬負電阻解耦，降低阻感比R/X，從而進行功率解耦，實現有功、無功功率穩定、準確的與電網間進行饋送，有效降低電動汽車充電樁并網應對主網系統故障時帶來的振蕩、擾動等問題，實現車網間的友好交互。

1 VSG功率環解耦原理

（a）有功環

（b）無功環

圖1為考慮耦合關系時的VSG功率環控制框圖，陰影部分表示功率環間耦合通道，則有功環和無功環的開環傳遞函數分別為：

（1-1）

（1-2）

式中，dcp（s）、dcq（s）分別為有功環和無功環耦合系數：

當滿足有功、無功耦合系數的最大值相等時，只取決于耦合影響因子HC，故：

（1-3）

由式（1-3）可知，HC受系統穩態工作點E，Ug和Δ的影響，而Δ與電網電壓Ug、電網頻率fg和下垂系數（Dp和Dq）有關。線路阻抗比的最大值為：

2 虛擬負電阻魯棒解耦方案

采用具有魯棒性的虛擬負電阻設計方案，對線路阻抗進行重塑。引入虛擬負電阻-RV后，并網功率和最大耦合系數為：

（1-5）

（1-6）

其中，dc，max與|-Rv|的關系曲線簇如圖2所示。

由圖2可知，|-RV|≥0.146Ω時，可以使得所有工況下dc，max的最大值低于0.05，系統能在所有穩態工作點條件下實現解耦。在虛擬負電阻值范圍選取時，需同時考慮魯棒功率解耦能力及穩定性問題，且避免其絕對值超過線路實際電阻。

3 基于功率環解耦的主網穩定性研究

在滿足VSG功率環解耦后，選取-RV=-0.3Ω。考慮電網對稱和不對稱故障兩種工況下電動汽車充電樁并網穩定性研究如圖3、圖4。

由圖3可知，當電網發生三相對稱接地故障時，并網點處各相電壓均跌至0.2p.u.。充電樁吸收Pe=0，并發出一定的Qe（穩態值約為-4.6kVar）。可耐受的故障時間大于1s。

由圖4可知，當電網發生A相接地故障時，并網點處ua=ub=0.58p.u.，uc=0.96p.u.，Ug_mag+跌至0.67p.u.。充電樁P=20kW，Q=-15.6kVar，向電網提供無功支撐。且交流側i<0.8Imax后，Pe經一段慣性動態過程穩定至P。可耐受的故障時間大于2s。

以上兩種情況故障切除后，功角振蕩平滑且到達新穩定平衡點。交流側ia

4 結束語

本文針對電動汽車充電樁并網穩定性研究，采用VSG控制方案，首先引入虛擬負電阻對功率環進行解耦設計，同時分別設置電網的對稱故障和不對稱故障兩種工況，進行該控制方案應對主網振蕩時穩定運行的可行性研究。通過上述實驗可以看出，基于虛擬負電阻法功率環解耦設計的VSG控制方案能夠更好地實現電動汽車充電樁穩定并網，提高了其應對主網故障的靈活自控能力。

參考文獻：

[1]趙世佳，劉宗巍，郝瀚，等.中國V2G關鍵技術及其發展對策研究[J].汽車技術，2018（9）：1-5.

[2]徐立中，楊光亞，許昭.電動汽車充電負荷對丹麥配電系統的影響[J].電力系統自動化，2011，35（14）：18-23.

[3]Kumar， K. N.， Sivaneasan， B.， Cheah， P. H.， So， P. L.， Wang， D. Z. W. V2G capacity estimation using dynamic EV scheduling[J]. Smart Grid， IEEE Transactions on， 2014，5（2）：1051-1060.

[4]Masuta T，Yokoyama A. Supplementary load frequency control by use of a number of both electric vehicles and heat pump water heaters[J]. IEEE Transactions on Smart Grid，2012，3（3）：1253-1262.

[5]周賢正，榮飛，呂志鵬，等.低壓微電網采用坐標旋轉的虛擬功率V/f下垂控制策略[J].電力系統自動化，2012，36（2）：47-51+63.

[6]李鵬，楊世旺，王陽，等.基于相對增益分析的目標函數對角化微網功率解耦控制方法[J].中國電機工程學報，2014，34（13）：2039-2046.

[7]張也，顏湘武.微網功率耦合特性分析及解耦控制[J].電網技術，2016，40（3）：812-818.

[8]李明烜，王躍，徐寧一，等.松弛小功角約束條件的虛擬同步發電機功率解耦策略[J].電力系統自動化，2018，42（9）：59-68.

[9]屈子森，蔡云旖，楊歡，等.基于自適應虛擬阻抗的虛擬同步機功率解耦控制策略[J].電力系統自動化，2018，42（17）：58-72.

[10]張平，石健將，李榮貴，等.低壓微網逆變器的“虛擬負阻抗”控制策略[J].中國電機工程學報，2014，34（12）：1844-1852.

[11]王長云，李春蘭，石砦，等.基于解耦理論的低壓微電網下垂控制優化研究[J].可再生能源，2017，35（2）：264-270.

[12]李武華，王金華，楊賀雅，等.虛擬同步發電機的功率動態耦合機理及同步頻率諧振抑制策略[J].中國電機工程學報，2017，37（2）：381-391.

[13]呂志鵬，盛萬興，鐘慶昌，等.虛擬同步發電機及其在微電網中的應用[J].中國電機工程學報，2014，34（16）：2591-2603.

[14]Liu F，Wang M，Xie Z，et al.Parameters Design Based on Virtual Synchronous Generator[C]// International Power Electronics Conference （IPEC-Niigata 2018 -ECCE Asia），Niigata，2018：2992-2996.

[15]Zhao H L，Yang Q，and Zeng H M.Multi-loop virtual synchronous generator control of inverter-based DGs under microgrid dynamics[J].IET Generation，Transmission amp; Distribution，2017，11（3）：795-803.

[16]陳來軍，王任，鄭天文，等.基于參數自適應調整的虛擬同步發電機暫態響應優化控制[J].中國電機工程學報，2016，36（21）：5724-

5731.