基于改進型自抗擾控制器的獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動抑制策略

陳 磊, 李權(quán)元, 郝寶平, 劉向辰

1.武威電建實業(yè)有限公司 甘肅武威 733000

2.國網(wǎng)武威供電公司 甘肅武威 733000

3.甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 蘭州 730050

1 研究背景

隨著能源和環(huán)境問題的日益突出,找到一種能夠替代傳統(tǒng)化石燃料的新能源已經(jīng)成為全人類需要解決的問題。在這一背景下,具有綠色、環(huán)保等優(yōu)點的光伏-風(fēng)力-儲能交直流混合獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)運而生。如何提高新能源發(fā)電質(zhì)量,保證用戶側(cè)用電的可靠性和安全性,已經(jīng)成為這一領(lǐng)域中專家和學(xué)者面臨的主要問題。

目前,國家電網(wǎng)調(diào)度主要采用日前優(yōu)化+日內(nèi)滾動+實時控制的獨立微電網(wǎng)控制策略,這一策略通過不斷修正線上所有發(fā)電機組啟停、負荷投切來經(jīng)濟合理地調(diào)節(jié)微電網(wǎng)系統(tǒng)。通過仿真和試驗,證明采用這一策略可以極大提高獨立微電網(wǎng)的發(fā)電質(zhì)量[1-3]。針對直流微電網(wǎng)負載阻尼系數(shù)較低、直流母線電壓容易振蕩失穩(wěn)的問題,朱曉榮等[4]提出一種虛擬電阻控制策略,用于補償下垂因數(shù),從而達到改善系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的目的。

以上研究雖然解決了微電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電質(zhì)量較差、負荷不均的問題,但電力系統(tǒng)消納仍然是困擾獨立微電網(wǎng)的主要危害之一。為了提高電力系統(tǒng)的全年消納電量,有學(xué)者提出一種基于最優(yōu)經(jīng)濟目標(biāo)的多集群新能源匯集計算和規(guī)劃方案,并將其應(yīng)用于電力系統(tǒng)模型。通過驗證,這一方法可以減少迭代次數(shù),實現(xiàn)潮流計算的快速收斂[5-6]。為了分析分布式電源的接入對電網(wǎng)電能質(zhì)量、繼電保護、供電可靠性、運營管理所產(chǎn)生的影響,王福祿等[7]提出智能微電網(wǎng)運行控制架構(gòu),并研究了并網(wǎng)點功率交換控制、模式切換控制、緊急控制、黑啟動控制等智能微電網(wǎng)的運行控制策略。

筆者在上述研究的基礎(chǔ)上,提出一種基于改進型自抗擾控制器的獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動抑制策略,將重復(fù)控制能夠周期性減小頻率擾動的原理融入自抗擾控制器系統(tǒng),最大限度抵消由頻率擾動對系統(tǒng)造成的不利影響,提高獨立微電網(wǎng)對交流側(cè)負載和直流側(cè)負載的供電質(zhì)量[8-9]。

2 光伏-風(fēng)力-儲能交直流混合獨立微電網(wǎng)

光伏-風(fēng)力-儲能交直流混合獨立微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光伏-風(fēng)力-儲能交直流混合獨立微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

由圖1可以看出,光伏組件和風(fēng)力發(fā)電機組是微電網(wǎng)系統(tǒng)的主要發(fā)電單元,所發(fā)出的電能通過電力變換器輸入直流母線和交流母線,供給直流負載和交流負載。蓄電池主要用于對所發(fā)電能進行平波抑制。能量管理系統(tǒng)用于實時監(jiān)測各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù),通過向發(fā)電機和并網(wǎng)逆變器實時發(fā)送有功功率參考指令,實現(xiàn)對系統(tǒng)頻率偏差的有效調(diào)節(jié)。

3 基于比例積分控制的抑制策略

太陽能、風(fēng)能自身屬于不穩(wěn)定的間歇式能源,所發(fā)出的電能存在穩(wěn)態(tài)頻率偏差,嚴重時會導(dǎo)致電力系統(tǒng)頻率不穩(wěn)定,進而出現(xiàn)大面積停電。為了提高供電可靠性,需要對系統(tǒng)頻率偏差進行實時調(diào)節(jié)。

基于比例積分控制的獨立微電網(wǎng)頻率擾動抑制策略如圖2所示。

圖2 基于比例積分控制的獨立微電網(wǎng)頻率擾動抑制策略

由于負載的實時波動及分布式發(fā)電的不穩(wěn)定性,導(dǎo)致獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)的有功功率不平衡,從而出現(xiàn)頻率偏差。獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)有功功率不平衡與頻率偏差之間的關(guān)系可以表示為:

(1)

式中:H為獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)的慣性常數(shù);A為阻尼系數(shù);s為頻域信號,s=jω,ω為系統(tǒng)頻率。

1/(2Hs+A)是光伏-風(fēng)力-儲能交直流混合獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

基于比例積分控制的獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動抑制策略,通過能量管理系統(tǒng)向并網(wǎng)逆變器和同步發(fā)電機實時發(fā)送有功功率參考指令進行調(diào)頻,其中,同步發(fā)電機調(diào)頻作為主要調(diào)頻手段,并網(wǎng)逆變器調(diào)頻作為輔助調(diào)頻手段[10]。當(dāng)然,比例積分控制存在超調(diào)嚴重、動態(tài)響應(yīng)慢、參數(shù)調(diào)節(jié)麻煩等問題,會嚴重影響系統(tǒng)調(diào)頻的性能。

4 基于改進型自抗擾控制器的抑制策略

4.1 傳統(tǒng)自抗擾控制器

自抗擾控制器由三部分組成,分別為微分信號跟蹤模塊、擴張狀態(tài)觀測模塊、非線性反饋模塊。傳統(tǒng)自抗擾控制器的工作原理是將建模的動態(tài)誤差、負載擾動,以及未知擾動產(chǎn)生的干擾頻率視為影響微電網(wǎng)系統(tǒng)正常運行的總擾動,通過對總擾動進行實時估算和前饋誤差補償,消除總擾動對微電網(wǎng)系統(tǒng)正常工作的影響。傳統(tǒng)自抗擾控制器工作原理如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)自抗擾控制器工作原理

圖3中:r(z)為輸入信號,y(z)為輸出信號,u為作用于被控對象的最終控制量,b為自抗擾控制器的內(nèi)部補償參數(shù),x1(z)為頻率擾動跟蹤信號,x2(z)為頻率擾動微分信號,e1(z)為頻率擾動信號誤差,e2(z)為頻率擾動信號微分誤差,y1(z)為輸出信號,y2(z)為輸出信號y1(z)的微分信號,y3(z)為頻率總擾動信號。

微分信號跟蹤模塊的主要作用是提取頻率擾動信號的跟蹤信號和微分信號,使過渡過程更加平穩(wěn),解決了系統(tǒng)超調(diào)和快速性不能同時滿足的問題。微分信號跟蹤模塊的表達式為:

(2)

式中:x1(k)為k時刻的頻率擾動跟蹤信號;x2(k)為k時刻的頻率擾動微分信號;x1(k+1)為k+1時刻的頻率擾動跟蹤信號;x2(k+1)為k+1時刻的頻率擾動微分信號;Ts為系統(tǒng)采樣周期;l為速度參數(shù);m為濾波參數(shù)。

g[x1(k),x2(k),l,m]是最優(yōu)控制函數(shù)。

擴張狀態(tài)觀測模塊的主要功能是估算頻率總擾動信號,并且能夠準(zhǔn)確跟蹤頻率擾動信號。擴張狀態(tài)觀測模塊的表達式為:

(3)

式中:e(k)為k時刻的誤差信號;y1(k)為k時刻的輸出信號;y2(k)為k時刻輸出信號y1(k)的微分信號;y3(k)為k時刻的頻率總擾動信號;y1(k+1)為k+1時刻的輸出信號;y2(k+1)為k+1時刻輸出信號y1(k+1)的微分信號;y3(k+1)為k+1時刻的頻率總擾動信號;h為冪次函數(shù);β1、β2、β3為調(diào)節(jié)冪次函數(shù)h的內(nèi)部參數(shù);α1、α2、α3為擴張狀態(tài)觀測模塊參數(shù);δ為冪次函數(shù)h的選擇區(qū)間域;c為調(diào)節(jié)函數(shù)。

非線性反饋模塊的主要作用是對微分信號跟蹤模塊輸出信號x1(z)、x2(z)與擴張狀態(tài)觀測模塊輸出信號y1(z)、y2(z)的誤差值e1(z)、e2(z)進行非線性組合,生成相應(yīng)的控制量,實現(xiàn)不采用積分就能完成無靜差跟蹤控制的功能。非線性反饋模塊的表達式為:

{e1(k)=x1(k)-y1(k)

e2(k)=x2(k)-y2(k)

(4)

u=k1ζ[e1(k),ε1,0.5]+k2ζ[e2(k),ε2,0.25]-y3(k)/b

式中:e1(k)為k時刻的頻率擾動信號誤差;e2(k)為k時刻的擾動信號微分誤差;ζ為非線性函數(shù);ε1、ε2為非線性函數(shù)ζ的內(nèi)部參數(shù);k1、k2為非線性函數(shù)ζ的可調(diào)參數(shù)。

4.2 改進型自抗擾控制器

通過以上分析可知,自抗擾控制器雖然能夠?qū)ξ㈦娋W(wǎng)系統(tǒng)的頻率總擾動進行前饋補償,但自身參數(shù)較多,并且參數(shù)選擇的合適與否將會直接影響自抗擾控制器對頻率總擾動的估算和補償效果。對此,筆者提出一種基于改進型自抗擾控制器的獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動抑制策略。這一策略在傳統(tǒng)自抗擾控制器基礎(chǔ)上引入重復(fù)控制周期性縮小系統(tǒng)誤差原理,加快誤差的收斂,減小內(nèi)部參數(shù)對自抗擾控制器的影響,提高微電網(wǎng)系統(tǒng)對頻率擾動的抑制能力。改進型自抗擾控制器的工作原理如圖4所示。

圖4 改進型自抗擾控制器工作原理

圖4中:Q(z)為低通時域濾波器,z-N為時域延遲環(huán)節(jié),S(z)為補償環(huán)節(jié),KP為比例因數(shù),N為電網(wǎng)頻率與系統(tǒng)頻率的比值。

將改進型自抗擾控制器應(yīng)用于光伏-風(fēng)力-儲能交直流混合獨立微電網(wǎng)系統(tǒng),取代原來的比例積分控制,可以更加有效地抑制頻率擾動對微電網(wǎng)系統(tǒng)造成的危害。基于改進型自抗擾控制器的獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動抑制策略如圖5所示。

圖5 基于改進型自抗擾控制器的獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動抑制策略

5 仿真分析

為了驗證所提出的基于改進型自抗擾控制器的獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動抑制策略的抑制能力,筆者應(yīng)用Matlab/Simulink軟件仿真試驗平臺進行仿真,并對仿真結(jié)果進行分析。

5.1 交流側(cè)負載供電質(zhì)量

在系統(tǒng)中加入隨機頻率擾動信號,交流側(cè)負載的三相電壓仿真波形如圖6所示。

由圖6可以看出,在獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)中加入隨機頻率擾動信號,采用基于比例積分控制的獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動抑制策略,220 V負載三相交流電壓正弦波形較差;采用基于改進型自抗擾控制器的獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動抑制策略,220 V負載三相交流電壓正弦波形明顯改善。

圖6 交流側(cè)負載三相電壓仿真波形

為了驗證兩種策略下的供電質(zhì)量,分別對兩種策略下的交流側(cè)負載三相電壓進行諧波畸變率分析,如圖7所示。

圖7 交流側(cè)負載三相電壓諧波畸變率

采用基于比例積分控制的獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動抑制策略,電壓幅值為225.08 V,諧波畸變率均值為7.05%,超過并網(wǎng)電壓允許條件。采用基于改進型自抗擾控制器的獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動抑制策略,電壓幅值為220.02 V,諧波畸變率均值為3.87%,滿足并網(wǎng)電壓允許條件。由此可以驗證,基于改進型自抗擾控制器的獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動抑制策略能夠提高交流側(cè)負載的供電質(zhì)量。

5.2 直流側(cè)負載供電質(zhì)量

在系統(tǒng)中加入隨機頻率擾動信號,直流側(cè)負載的電壓仿真波形如圖8所示。

圖8 直流側(cè)負載電壓仿真波形

由圖8可以看出,在0.10～0.14 s時間內(nèi)向系統(tǒng)加入隨機頻率擾動信號,采用基于比例積分控制的獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動抑制策略,直流電壓抖振幅度較大;采用基于改進型自抗擾控制器的獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動抑制策略,直流電壓抖振幅度較小,基本能維持在550 V左右。由此可以驗證,基于改進型自抗擾控制器的獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動抑制策略能夠提高直流側(cè)負載的供電質(zhì)量。

6 結(jié)束語

筆者在傳統(tǒng)自抗擾控制器的基礎(chǔ)上,提出一種基于改進型自抗擾控制器的獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動抑制策略,將重復(fù)控制能夠周期性減小頻率擾動的原理融入自抗擾控制器,最大限度抵消頻率擾動對獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)造成的影響。通過仿真,驗證了采用基于改進型自抗擾控制器的獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動抑制策略,能夠在獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)存在頻率擾動的情況下,有效提高獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)對交流側(cè)負載和直流側(cè)負載的供電質(zhì)量。