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电动汽车驱动 构网型GFM 微电网 ★ 5.0

一种用于集成双向电动汽车的孤岛微电网中弹性运行的新型构网型逆变器控制策略

A Novel Grid-Forming Inverter Control Strategy for Resilient Operations in an Islanded Microgrid With Bidirectional Electric Vehicle Integration

作者 Karan Singh Joshal · Neeraj Gupta
期刊 IEEE Transactions on Industry Applications
出版日期 2025年2月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 构网型GFM 微电网
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 孤岛微电网系统 分布式能源资源 下垂控制方法 二次控制 控制策略
语言:

中文摘要

本文对一个7母线孤岛微电网系统的设计、控制和性能评估进行了详细分析。该微电网系统有两个分布式能源(DER)单元,由配备电池储能系统(BESS)的太阳能光伏组成,同时还有一台柴油发电机(DIG)作为第三种能源。一辆电动汽车(EV)接入其中一条母线,可在电网到车辆(G2V)和车辆到电网(V2G)两种模式下运行。微电网的控制框架围绕连接到DER单元和DIG的三个形成电网的三相半桥逆变器展开。一种带有虚拟阻抗和前馈微分的改进下垂控制方法可减轻畸变、减少环流并改善暂态响应,从而提高稳定性和动态性能。逆变器之间采用主从配置进行二次控制,同时基于锁相环(PLL)的系统可确保在DIG即插即用事件和DER故障期间实现同步。该控制方法在静止参考系中采用比例谐振(PR)控制器,具有高谐振频率增益、极小的稳态误差,且无需进行dq变换,实现过程简化。该微电网在MATLAB Simulink和OPAL - RT环境下进行了各种工况测试,如太阳辐照度变化、负载突变、DER故障以及DIG即插即用场景等。测试结果表明,该微电网具有较强的鲁棒性和高效性,电压偏差控制在<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"><tex-math notation="LaTeX">$\pm 5\%$</tex-math></inline-formula>以内,频率偏差控制在<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"><tex-math notation="LaTeX">$\pm 0.25$</tex-math></inline-formula> Hz以内,验证了所提出的自主运行控制策略的有效性。

English Abstract

This paper conducts a detailed analysis of the design, control, and performance evaluation of a 7-bus islanded microgrid system, featuring two Distributed Energy Resources (DERs) units consisting of Solar PV with Battery Energy Storage Systems (BESS), along with a Diesel Generator (DIG) as a third energy source. An Electric Vehicle (EV) is integrated into one of the buses, operating in both Grid-to-Vehicle (G2V) and Vehicle-to-Grid (V2G) modes. The microgrid's control framework is centered around three grid-forming three-phase half-bridge inverters connected to the DER units and DIG. An enhanced droop control method with virtual impedance and a feed-forward derivative mitigates distortions, reduces circulating currents, and improves transient response, enhancing stability and dynamic performance. A Leader-Follower configuration manages the secondary control among inverters, while a Phase-Locked Loop (PLL)-based system ensures synchronization during plug-and-play events of DIG and DER outages. The control approach employs Proportional-Resonant (PR) controllers in a stationary reference frame, delivering high resonant frequency gain, minimal steady-state error, and streamlined implementation without dq transformations. The microgrid, tested in MATLAB Simulink and OPAL-RT environments under various conditions, such as changing solar irradiation, abrupt load shifts, DER failures, and DIG plug-and-play scenarios, demonstrated robustness and efficiency, with voltage and frequency deviations constrained within 5% and 0.25 Hz, validating the proposed control strategies for autonomous operation.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这篇论文提出的构网型逆变器控制策略与我司在光储一体化及微电网解决方案方面的技术路线高度契合,具有重要的参考价值和应用潜力。

**核心技术价值方面**,论文采用的增强型下垂控制结合虚拟阻抗和前馈导数机制,能够有效抑制谐波畸变和环流问题,这直接呼应了我司PowerStack储能系统和1+X模块化逆变器在并联运行时面临的技术挑战。特别是其在静止坐标系下采用PR控制器替代传统dq变换的方案,可简化控制算法复杂度,降低计算资源需求,这对提升我司逆变器产品的成本竞争力和响应速度具有实际意义。

**业务协同价值**体现在双向电动汽车集成方面。论文验证的G2V/V2G模式与我司正在拓展的充电桩及车网互动业务形成良好互补。主从式二次控制架构和基于PLL的即插即用同步机制,可直接应用于我司浮体式光伏电站、工商业微网等离网或弱网场景,增强系统在DER单元故障时的韧性。

**技术成熟度评估**显示,该方案已通过MATLAB和OPAL-RT硬件在环测试,电压频率偏差控制在±5%和±0.25Hz以内,满足IEEE 1547等并网标准要求,具备工程化应用基础。但论文未涉及极端气候、长周期老化等实际工况,这需要我司在产品化过程中进行补充验证。

**战略机遇**在于,随着全球微电网市场年增长率超过12%,该技术可强化我司在海岛、矿区、数据中心等高可靠性供电场景的解决方案能力,同时为氢储一体化系统提供更灵活的能量管理架构,支撑公司"光储氢充"全链条战略布局。