基于混合儲(chǔ)能的微電網(wǎng)控制策略研究

王坦坦 孫樹敏 王楠 趙其浩 高郭冰 王永亮

摘? 要： 微電網(wǎng)優(yōu)化配置中風(fēng)光出力的隨機(jī)性和波動(dòng)性給微電網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行造成不利影響。為了提升不可控電源出力穩(wěn)定性，減小直流母線電壓波動(dòng)，提高并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量，針對(duì)傳統(tǒng)PI控制的不足，提出一種動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快、控制效果更好的自抗擾和二階低通濾波器復(fù)合控制混合儲(chǔ)能系統(tǒng)策略，并在Matlab環(huán)境下搭建微電網(wǎng)仿真模型。結(jié)果表明，該策略可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，減小直流母線承受的電壓沖擊，平抑直流母線電壓波動(dòng)，提高并網(wǎng)電能質(zhì)量，驗(yàn)證了所提出的混合儲(chǔ)能控制策略的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞： 微電網(wǎng); 混合儲(chǔ)能; 二階低通濾波器; 自抗擾控制; 母線電壓; 平抑波動(dòng)

中圖分類號(hào)： TN876?34; TM73? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）21?0119?03

Research on microgrid control strategy based on hybrid energy storage

WANG Tantan1， SUN Shumin1， 2， WANG Nan2， ZHAO Qihao1， GAO Guobing1， WANG Yongliang1

（1. Shandong University of Technology， Zibo 255000， China;

2. Power Research Institute of State Grid Shandong Power Co.， Jinan 250002， China）

Abstract： The randomness and fluctuation of wind and light output in the optimal allocation of microgrid have adverse effects on the grid?connected operation of microgrid. In view of the shortcomings of traditional PI control， a hybrid energy storage system with active disturbance rejection and two?order low?pass filter is proposed to improve the output stability of uncontrollable power supply. The proposed system has faster dynamic response and better control effect. In addition， a simulation model of microgrid is built in Matlab environment. The test results show that the dynamic response performance of the system is improved， the voltage shock borne by the DC bus is reduced， the voltage fluctuation of the DC bus is stabilized and the power quality of grid connection is improved， which verify the correctness and feasibility of the proposed hybrid energy storage control strategy.

Keywords： microgrid; hybrid energy storage; two?stage low?pass filter; auto disturbance rejection control; bus voltage; stabilized fluctuation

0? 引? 言

光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電是可再生能源領(lǐng)域中技術(shù)較為成熟和有著廣闊發(fā)展前景的發(fā)電技術(shù)，但其不可控和隨機(jī)波動(dòng)性給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來新的挑戰(zhàn)。為了高效利用風(fēng)光等分布式電源，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，微電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生[1]。

在微電網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，微電網(wǎng)能量管理引發(fā)人們的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[2]采用模糊控制理論在蓄電池和超級(jí)電容器之間分配功率，該方法可平抑功率波動(dòng)，但在充放電狀態(tài)下采用不同的控制規(guī)則和隸屬度函數(shù)，控制方法較復(fù)雜。文獻(xiàn)[3]利用高通濾波器把功率高頻波動(dòng)分量作為超級(jí)電容儲(chǔ)能的功率，剩余分量作為蓄電池儲(chǔ)能的功率，可實(shí)現(xiàn)兩者協(xié)同控制，但未考慮初始時(shí)刻動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度對(duì)母線電壓的影響。

近年來，自抗擾控制算法得到了廣泛研究。自抗擾控制具有控制結(jié)構(gòu)簡單、可估計(jì)并補(bǔ)償不確定的外部干擾、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好、控制精度高等優(yōu)勢，已經(jīng)在機(jī)械工程、航空航天領(lǐng)域得到成功應(yīng)用，但在微電網(wǎng)方面的應(yīng)用研究較少。文獻(xiàn)[4]應(yīng)用自抗擾控制完成空間機(jī)械臂軌跡跟蹤任務(wù)，并驗(yàn)證了該算法可以適應(yīng)機(jī)械臂模型變化和抵抗系統(tǒng)擾動(dòng)。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)自抗擾控制算法解決無人機(jī)系統(tǒng)航向通道擾動(dòng)大的問題，證實(shí)了自抗擾控制精度高和對(duì)擾動(dòng)抑制能力強(qiáng)。為了提高微電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，提出基于自抗擾和二階低通濾波器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)復(fù)合控制策略，并驗(yàn)證了策略的有效性。

1? 微電網(wǎng)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

1.1? 典型交流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

交流微電網(wǎng)由交流母線、分布式電源、儲(chǔ)能裝置、負(fù)荷、能量控制系統(tǒng)構(gòu)成[6]，典型交流微電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2? 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)需要由儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑分布式電源輸出功率的波動(dòng)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要有三類[7]：直接并聯(lián)、通過電感并聯(lián)、通過DC/DC變換器并聯(lián)。在研究中，選擇將磷酸鐵鋰電池和超級(jí)電容分別經(jīng)雙向DC/DC變換器并聯(lián)在直流母線上的方式，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制磷酸鐵鋰電池和超級(jí)電容的充放電功率，優(yōu)化混合儲(chǔ)能系統(tǒng)出力，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

2? 二階低通濾波器控制研究

為了使混合儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率的高頻段以更快的速率下降、減少高頻分量對(duì)波形的影響，改善磷酸鐵鋰電池工作狀態(tài)，應(yīng)用二階低通濾波器[8]平抑功率波動(dòng)。第一級(jí)低通濾波器實(shí)時(shí)跟蹤微電網(wǎng)中分布式電源發(fā)出的功率，濾除所發(fā)功率的高頻分量，并將其作為超級(jí)電容輸出電流的參考值。第二級(jí)低通濾波器的輸入量是第一級(jí)低通濾波器的輸出量，當(dāng)?shù)谝患?jí)低通濾波器輸出功率的中低頻分量進(jìn)入可以動(dòng)態(tài)調(diào)整濾波時(shí)間常數(shù)的第二級(jí)低通濾波器后，濾除功率中的高頻分量，并將其作為磷酸鐵鋰電池輸出電流的參考值，剩余分量為直接并網(wǎng)功率。二階低通濾波器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3? 混合儲(chǔ)能自抗擾控制研究

3.1? 自抗擾控制基本結(jié)構(gòu)

自抗擾控制[9]（ADRC）技術(shù)是將系統(tǒng)內(nèi)部擾動(dòng)、外部擾動(dòng)、傳統(tǒng)PID控制不容易處理的非線性問題等構(gòu)成的復(fù)雜因素作為系統(tǒng)總擾動(dòng)，利用系統(tǒng)的輸入和輸出構(gòu)造擴(kuò)張狀態(tài)觀測器實(shí)時(shí)估計(jì)總擾動(dòng)，并在反饋控制環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償。ADRC主要由跟蹤微分器（TD）、非線性狀態(tài)誤差反饋控制律（NLSEF）、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（ESO）、擾動(dòng)估計(jì)補(bǔ)償組成[10]，整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2? 雙向DC/DC變換器自抗擾控制

傳統(tǒng)的雙向DC/DC變換器雙閉環(huán)控制策略為電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)分別采用PI控制器，存在跟蹤響應(yīng)速度慢、超調(diào)量大和穩(wěn)態(tài)精度較低等不足，導(dǎo)致輸出電壓質(zhì)量不高。本文中雙向DC/DC變換器電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)分別采用一階自抗擾控制器，通過控制電感電流來控制磷酸鐵鋰電池和超級(jí)電容的充放電電流，平抑母線電壓波動(dòng)，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和抗干擾能力。

3.3? 一階自抗擾控制器設(shè)計(jì)

令[I*L]，[IL]分別為電流內(nèi)環(huán)的參考信號(hào)和采樣信號(hào)，[V*dc]，[Vdc]分別為電壓外環(huán)的參考信號(hào)和采樣信號(hào)。一階自抗擾控制器的設(shè)計(jì)過程為：

1） 跟蹤微分器設(shè)計(jì)

TD用于根據(jù)參考值安排過渡過程，其離散化表達(dá)式為：

[v1（k+1）=v1（k）-hr0fal（e1，a，δ）]? （1）

式中：[v1（k）]為[I*L]的跟蹤信號(hào);[h]為采樣周期;[r0]為速度因子;[fal（e1，a，δ）]為最優(yōu)控制函數(shù)，[a]為非線性因子，[δ]為濾波因子。

非線性函數(shù)[fal（e，a，δ）]可以表示為：

[fal（e，a，δ）=sgn（e）ea，? ? e>δeδ（1-a），? ? e≤δ]? （2）

2） 擴(kuò)張狀態(tài)觀測器設(shè)計(jì)

ESO是根據(jù)對(duì)象的輸出和輸入信號(hào)實(shí)時(shí)估計(jì)出對(duì)象的狀態(tài)以及作用在對(duì)象上的總擾動(dòng)。根據(jù)雙向DC/DC變換器的模型設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，可以表示為：

[e1=z1（k）-y（k）z1（k+1）=z1（k）+h[z2（k）-β1e1+b0u]z2（k+1）=z2（k）-hβ2fal（e1，a1，δ1）] （3）

式中：[z1（k）]為[IL]的跟蹤信號(hào);[z2（k）]為總擾動(dòng)量;[β1]和[β2]為狀態(tài)誤差反饋增益。

3） 非線性狀態(tài)誤差反饋控制律設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的狀態(tài)誤差是[e1]，誤差反饋控制律是根據(jù)[e1]控制純積分器串聯(lián)型對(duì)象的控制規(guī)律[u0]。NLSEF用于設(shè)計(jì)非線性組合生成控制量，不需要積分環(huán)節(jié)就可實(shí)現(xiàn)無差控制。離散型的NLSEF可以表示為：

[e2=v1（k）-z1（k） u0=β3fal（e2，a2，δ2） ]? ?（4）

式中：[β3]為非線性增益;[a2]為非線性函數(shù)[fal]的參數(shù)。

4） 補(bǔ)償擾動(dòng)分量設(shè)計(jì)

對(duì)擾動(dòng)估計(jì)值進(jìn)行補(bǔ)償，控制量為：

[u=u0b0-z3b0] （5）

式中：[u0b0]為控制積分器串聯(lián)型分量;[z3b0]為補(bǔ)償擾動(dòng)分量。

3.4? ADRC和二階濾波控制的儲(chǔ)能系統(tǒng)

磷酸鐵鋰電池?超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)采用基于自抗擾和二階低通濾波器的控制策略。電流內(nèi)環(huán)自抗擾負(fù)責(zé)快速跟蹤電流參考值，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，電壓外環(huán)自抗擾負(fù)責(zé)維持直流母線電壓穩(wěn)定，提高抗干擾的能力。控制系統(tǒng)的框圖如圖5所示。

4? 算例仿真分析

在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建基于自抗擾和二階低通濾波器控制的風(fēng)/光/混合儲(chǔ)微電網(wǎng)仿真模型，分別對(duì)傳統(tǒng)PI控制和ADRC控制兩種不同控制方式下的微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，截取仿真時(shí)間段0～2 s，仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖6a）和圖6b）的對(duì)比中可知，傳統(tǒng)PI控制下的風(fēng)/光/混合儲(chǔ)微電網(wǎng)的直流母線電壓約經(jīng)過0.53 s的震蕩才能達(dá)到設(shè)定值，而ADRC控制策略下的直流母線電壓約經(jīng)過0.36 s就可達(dá)到設(shè)定值，所提控制策略下的母線電壓設(shè)定值響應(yīng)時(shí)間提前了32%。因此，自抗擾控制同傳統(tǒng)PI控制相比具有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和更高的精度，可以平抑仿真初始時(shí)刻直流母線承受的電壓沖擊及仿真過程中的電壓波動(dòng)。

5? 結(jié)? 語

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和能量瞬時(shí)平衡具有重要作用，本文通過提出混合儲(chǔ)能系統(tǒng)自抗擾和二階低通濾波復(fù)合控制策略，構(gòu)建了風(fēng)/光/混合儲(chǔ)微電網(wǎng)仿真模型，結(jié)果表明所提策略可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，減少直流母線電壓的沖擊和波動(dòng)，增強(qiáng)微電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

注：本文通訊作者為孫樹敏。

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作者簡介：王坦坦（1993—），男，山東濱州人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c新能源發(fā)電技術(shù)。

孫樹敏（1968—），男，山東濟(jì)南人，高級(jí)應(yīng)用研究員，主要從事電機(jī)與節(jié)能、新能源發(fā)電并網(wǎng)、電力電子技術(shù)研究工作。