獨(dú)立微網(wǎng)中并網(wǎng)逆變器自抗擾控制輔助調(diào)頻算法

王義 江漢紅 邢鵬翔

摘 要：針對(duì)獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定性較差的問題，提出了典型光-風(fēng)-儲(chǔ)交直流混合微網(wǎng)中并網(wǎng)逆變器采用自抗擾控制的暫態(tài)輔助調(diào)頻控制方法。首先，分析了常規(guī)PD控制輔助調(diào)頻算法的結(jié)構(gòu)和原理。然后，從抑制系統(tǒng)功率擾動(dòng)的角度分析了微網(wǎng)同步發(fā)電機(jī)調(diào)頻原理，推導(dǎo)了自抗擾控制器的設(shè)計(jì)。最后，通過仿真模型和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)比分析了無輔助功率調(diào)頻、常規(guī)PD控制輔助調(diào)頻和自抗擾控制輔助調(diào)頻的系統(tǒng)頻率擾動(dòng)，得出所設(shè)計(jì)的自抗擾控制器的調(diào)頻能力明顯提升，且具有一定抗參數(shù)擾動(dòng)能力，在獨(dú)立微網(wǎng)輔助調(diào)頻控制中有較強(qiáng)應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：交直流混合微網(wǎng);暫態(tài)頻率;PD控制;自抗擾控制;輔助調(diào)頻

中圖分類號(hào)：TM 743

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2019）04-0008-12

0 引 言

能源和環(huán)境問題是人們迫切需要解決的問題，如何獲取和利用好清潔新能源是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。新能源與傳統(tǒng)能源組建成獨(dú)立微電網(wǎng)后，如何提升電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性，已有不少學(xué)者展開了深入的研究[1-2]。

文獻(xiàn)[3]研究基于負(fù)荷估計(jì)的光-柴獨(dú)立微網(wǎng)頻率控制，采取構(gòu)造干擾觀測(cè)器的方法估計(jì)微網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)，通過滑?？刂破鱽砜刂撇癜l(fā)有功功率，優(yōu)化系統(tǒng)頻率波動(dòng)，但是沒有考慮并網(wǎng)逆變器參與的輔助調(diào)頻策略。文獻(xiàn)[4]采取Q學(xué)習(xí)方法對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)二次調(diào)頻方法進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了二次調(diào)頻的智能控制，但是沒有考慮獨(dú)立微網(wǎng)暫態(tài)調(diào)頻方法。文獻(xiàn)[5]研究了虛擬同步發(fā)電機(jī)的微網(wǎng)一次和二次調(diào)頻方法，但是重點(diǎn)是研究的虛擬同步發(fā)電機(jī)調(diào)頻方法，算法相對(duì)復(fù)雜，其工程化實(shí)現(xiàn)有一定難度，文獻(xiàn)[6]研究了風(fēng)力發(fā)電機(jī)虛擬慣量和槳距角聯(lián)合控制的風(fēng)-光-柴微網(wǎng)動(dòng)態(tài)頻率控制，但是研究重點(diǎn)是風(fēng)機(jī)虛擬慣量和槳距角的控制參與系統(tǒng)調(diào)頻。文獻(xiàn)[7]研究一種帶比例-微分（proportional differential，PD）控制的雙饋抽水蓄能機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻的控制策略，并給出了PD控制的相關(guān)參數(shù)整定方法，通過仿真驗(yàn)證了PD控制的抽水蓄能機(jī)組能夠響應(yīng)頻率擾動(dòng)，從而改善系統(tǒng)暫態(tài)頻率。文獻(xiàn)[8]針對(duì)直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組，采取了風(fēng)機(jī)虛擬慣量的PD控制，通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了風(fēng)機(jī)利用虛擬慣量參與系統(tǒng)調(diào)頻的可行性，說明了PD控制算法調(diào)頻能改善系統(tǒng)頻率特性。

文獻(xiàn)[9]研究了自抗擾控制（auto-disturbances rejection control，ADRC）在永磁同步發(fā)電機(jī)伺服系統(tǒng)的應(yīng)用，研究的重點(diǎn)是轉(zhuǎn)速的估計(jì)，及其對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的魯棒性，方法有一定借鑒意義，但重點(diǎn)不是輔助調(diào)頻的應(yīng)用。文獻(xiàn)[10]針對(duì)動(dòng)車組整流器設(shè)計(jì)了一階線性自抗擾控制器，用該控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)基于線性比例-積分（proportional integral，PI）控制器的瞬態(tài)電流控制策略，通過設(shè)計(jì)跟蹤微分器和計(jì)算擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器，將系統(tǒng)內(nèi)外擾動(dòng)歸算為總擾動(dòng)，并設(shè)定動(dòng)態(tài)線性補(bǔ)充器，最后通過仿真驗(yàn)證了自抗擾控制器具有較好的魯棒性和抑制低頻振蕩效果。文獻(xiàn)[11]較系統(tǒng)介紹了風(fēng)機(jī)線性自抗擾控制器對(duì)微網(wǎng)頻率控制的效果，及其控制參數(shù)的設(shè)計(jì)和選取，并通過與傳統(tǒng)PI控制進(jìn)行比較，由理論分析和仿真得出，線性自抗擾控制器能提升風(fēng)電參與調(diào)頻的力度，且其控制器的魯棒性更好。

本文采取一種基于輔助功率（PAux，auxiliary）暫態(tài)調(diào)頻的方式[12]，從微網(wǎng)系統(tǒng)功率波動(dòng)造成頻率擾動(dòng)的機(jī)理進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一種自抗擾控制的方法[13-14]。ADRC調(diào)頻核心思想是通過擴(kuò)張觀測(cè)器（extended state observer，ESO）實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)頻率擾動(dòng)實(shí)時(shí)觀測(cè)，得到對(duì)系統(tǒng)功率擾動(dòng)的觀測(cè)量，并在狀態(tài)誤差反饋控制律（state error feedback law，SEFL）中進(jìn)行補(bǔ)償[15-16]，達(dá)到系統(tǒng)功率和頻率擾動(dòng)的平衡，從而實(shí)現(xiàn)輔助調(diào)頻。

本文先推導(dǎo)獨(dú)立微網(wǎng)中常規(guī)PD控制調(diào)頻機(jī)理，然后給出ADRC調(diào)頻的設(shè)計(jì)過程，再通過仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將ADRC調(diào)頻與無輔助調(diào)頻和常規(guī)PD控制輔助調(diào)頻進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的可行性和優(yōu)越性。

1 獨(dú)立微網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其常規(guī)調(diào)頻策略

文中以一種典型的光-風(fēng)-儲(chǔ)交直流混合微網(wǎng)為研究背景，如圖1所示。

圖中采用新能源光-風(fēng)-儲(chǔ)構(gòu)成直流母線，光和風(fēng)能源的隨機(jī)擾動(dòng)由直流側(cè)蓄電池進(jìn)行平抑。新能源通過DC/AC并網(wǎng)逆變器與同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)組成交流母線。同步發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)為主控制電源，并網(wǎng)逆變器為從控電源。能量管理系統(tǒng)（energy management system，EMS）通過RS485串口通信獲取各個(gè)子系統(tǒng)參數(shù)，綜合進(jìn)行功率優(yōu)化調(diào)度控制，給并網(wǎng)逆變器發(fā)送功率指令PEMS，并結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率偏差進(jìn)行二次調(diào)頻。

1.1 常規(guī)PD控制調(diào)頻機(jī)理

微網(wǎng)系統(tǒng)常規(guī)PD控制調(diào)頻機(jī)理如圖2所示。并網(wǎng)逆變器在能量管理系統(tǒng)發(fā)送的功率指令PEMS基礎(chǔ)上，加入了由系統(tǒng)頻率偏差Δf通過PD控制換算來的輔助功率PAux。當(dāng)微網(wǎng)系統(tǒng)頻率擾動(dòng)時(shí)，并網(wǎng)逆變?cè)霭l(fā)輔助功率PAux，從而模擬同步發(fā)電機(jī)參與系統(tǒng)一次調(diào)頻控制[17]。

圖中可得，常規(guī)同步發(fā)電機(jī)由給定功率PSG_C及PI控制調(diào)速器產(chǎn)生的補(bǔ)償功率PPI得到輸入?yún)⒖脊β手噶頟*SG，同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生并輸出功率PSG。PInv為并網(wǎng)逆變器輸出功率，PLoad為系統(tǒng)有功負(fù)荷，ΔPU為系統(tǒng)的不平衡功率。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)下，由系統(tǒng)有功功率平衡有

1.2 常規(guī)PD控制調(diào)頻算法

常規(guī)PD控制主要由頻率偏差Δf的比例項(xiàng)（P）和微分項(xiàng)（D）的線性組合算法實(shí)現(xiàn)，比例項(xiàng)算法的實(shí)現(xiàn)方式如圖3所示，采集的頻率f與參考頻率f*的偏差Δf乘以比例系數(shù)kpf，即為比例項(xiàng)輔助功率ΔPP。

微分項(xiàng)的算法如圖4所示，采集頻率偏差Δf求取微分，經(jīng)過低通濾波器后與微分系數(shù)kdf相乘，即為微分項(xiàng)輔助功率ΔPD。圖中低通濾波器是避免小頻率擾動(dòng)造成并網(wǎng)逆變器頻繁參與調(diào)頻，影響系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

求取比例項(xiàng)和微分項(xiàng)輔助功率后，對(duì)兩者求和，即為調(diào)頻增發(fā)的輔助功率PAux=ΔPP+ΔPD。微網(wǎng)系統(tǒng)的常規(guī)PD控制調(diào)頻原理框圖如圖5所示。

由圖所示可得，功率指令PEMS由上層能量管理通過指令下發(fā)，并網(wǎng)逆變器的暫態(tài)調(diào)頻的輔助功率PAux由低層控制器通過PD控制算法獲取。輔助功率正常輸出需要確保系統(tǒng)無異常保護(hù)，例如同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)無異常、微電網(wǎng)頻率無超頻或欠頻現(xiàn)象、系統(tǒng)電壓穩(wěn)定等，因此需要乘以異常保護(hù)標(biāo)志位Flag。圖中并網(wǎng)逆變器輸出功率增加限幅器是為了避免瞬態(tài)功率過大，導(dǎo)致直流母線過功率保護(hù)，設(shè)置“頻率死區(qū)”是為了避免小負(fù)荷擾動(dòng)造成的頻繁調(diào)頻。

2 自抗擾控制器的設(shè)計(jì)

2.1 ADRC設(shè)計(jì)過程推導(dǎo)

按圖2微網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)頻原理推導(dǎo)系統(tǒng)頻率變化Δf的微分方程，本文依據(jù)微分方程設(shè)計(jì)狀態(tài)觀測(cè)器，并構(gòu)造自抗擾控制器，暫不考慮負(fù)荷投切造成的系統(tǒng)電壓波動(dòng)，因此同步發(fā)電機(jī)的Eq恒定模型為：

對(duì)比常規(guī)PD控制器，本文設(shè)計(jì)的ADRC是基于功率擾動(dòng)的觀測(cè)與補(bǔ)償，其抑制頻率擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)性更好，控制器有3個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：1）采取跟蹤微分器能夠減小頻率擾動(dòng)的震顫和減小輔助調(diào)頻造成的超調(diào);2）設(shè)計(jì)非線性狀態(tài)誤差反饋控制律，并利用飽和函數(shù)，能實(shí)現(xiàn)“小誤差大增益，大誤差小增益”[9]，提高誤差跟蹤效率;3）采取擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)擾動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償，使控制器具有較好的適用性和魯棒性[15]。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證ADRC輔助調(diào)頻的效果，并和常規(guī)PD控制進(jìn)行對(duì)比分析，在Matlab/SIMULINK環(huán)境中搭建了仿真模型，并網(wǎng)逆變器的額定功率Pn=2 MW，同步發(fā)電機(jī)額定功率Sn=4.1 MW，仿真測(cè)試參數(shù)如表1所示，系統(tǒng)包含固定負(fù)載PLoad1=2 MW，可投切負(fù)載PLoad2=0.25 MW。

3.1 跟蹤微分器和NLSFE算法仿真

微網(wǎng)系統(tǒng)具有慣性時(shí)間常數(shù)H，系統(tǒng)頻率響應(yīng)也即為慣性量，負(fù)荷突增或突卸是一個(gè)階躍量，讓慣性量快速跟蹤階躍量本身存在矛盾。如圖7所示對(duì)無TD處理的PD控制器輸入模擬負(fù)荷階躍信號(hào)，不采用跟蹤微分器則會(huì)出現(xiàn)明顯的信號(hào)抖振現(xiàn)象。

對(duì)階躍信號(hào)進(jìn)行跟蹤微分處理，使階躍量具有一定柔性，如圖8中虛線所示。對(duì)有微分處理的階躍信號(hào)采取NLSFE跟蹤，如圖8中點(diǎn)畫線所示（仿真結(jié)果中虛線和點(diǎn)畫線幾乎完全重合），經(jīng)過TD處理后的抖振現(xiàn)象明顯減弱。

3.2 非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器仿真

狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷擾動(dòng)造成的Δf·變化準(zhǔn)確估計(jì)，是ADRC對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償或抑制的前提，如圖9（a）和圖9（b）為負(fù)荷突增和突卸觀測(cè)效果。

圖9中，實(shí)線為系統(tǒng)的實(shí)際擾動(dòng)頻率Δf·，虛線為狀態(tài)觀測(cè)器的觀測(cè)結(jié)果z1。從圖9可見，在負(fù)荷突增和突卸情況下，狀態(tài)觀測(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)頻率擾動(dòng)的準(zhǔn)確估計(jì)。

由于系統(tǒng)內(nèi)、外部參數(shù)攝動(dòng)對(duì)系統(tǒng)特性造成一定影響，比如慣性時(shí)間常數(shù)H的改變，因此有必要通過仿真來驗(yàn)證參數(shù)H擾動(dòng)對(duì)控制器的影響。如圖10所示，參數(shù)H攝動(dòng)時(shí)，即參數(shù)b0=1/24、b0=1/12、b0=1/6，觀測(cè)器觀測(cè)頻率擾動(dòng)效果。

由圖10可知，b0取值一定幅度變化時(shí)，不會(huì)影響狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)頻率擾動(dòng)量的準(zhǔn)確估計(jì)，也不會(huì)影響ADRC對(duì)頻率的控制效果，即ADRC能夠容許系統(tǒng)參數(shù)一定的攝動(dòng)，減輕了控制器對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的依賴，使控制器具有較強(qiáng)魯棒性。

3.3 調(diào)頻控制算法仿真對(duì)比

為了對(duì)比分析傳統(tǒng)PD控制和ADRC調(diào)頻算法的優(yōu)劣，通過Matlab/SIMULINK環(huán)境搭建了仿真模型，在能量管理功率指令PEMS=0.85 MW不變的條件下，對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性進(jìn)行仿真。

在t=14 s時(shí)，將可變負(fù)載PLoad2=0.25 MW投入或切除，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線分別如圖11和圖12所示。圖中f為電網(wǎng)頻率，PSG為同步發(fā)電機(jī)輸出功率，PInv為并網(wǎng)逆變器輸出功率。實(shí)線、虛線、點(diǎn)化線分別代表無輔助調(diào)頻、常規(guī)PD控制調(diào)頻和ADRC調(diào)頻3種情況下的響應(yīng)曲線。

圖11中，突增負(fù)載時(shí)，加入常規(guī)PD控制和ADRC調(diào)頻后，系統(tǒng)頻率的下降速度、幅度和穩(wěn)定時(shí)間均得到明顯改善，相比常規(guī)PD控制，ADRC的改善程度更大。同理，圖12中可以看出，突卸負(fù)載時(shí)，加入常規(guī)PD控制和ADRC調(diào)頻使頻率上升速度、幅度和穩(wěn)定時(shí)間明顯改善，ADRC達(dá)到的效果更好。

將圖11、圖12仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，結(jié)果如表2～表3所示。從表2～表3可見負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，相比常規(guī)PD控制，ADRC的引入使得系統(tǒng)頻率偏差分別減小了0.15 Hz左右，穩(wěn)定時(shí)間減小了約2 s，輔助暫態(tài)調(diào)頻效果明顯提升。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的ADRC輔助調(diào)頻方法在獨(dú)立微網(wǎng)中的可行性及有效性，搭建了一套額定功率為15 kW的并網(wǎng)逆變器，以及系統(tǒng)容量為30 kVA的模擬同步發(fā)電機(jī)組，其慣性時(shí)間常數(shù)H=3 s。新能源直流母線用磷酸鐵鋰電池代替，直流輸出為700 V，容量為200 kWh。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，由阻性負(fù)載箱模擬實(shí)際電網(wǎng)中負(fù)荷，由電抗器（3 mH）模擬實(shí)際電網(wǎng)中的長(zhǎng)距離輸電線路LLine1（約為3 km）。能量管理系統(tǒng)采用LabWindows/CVI編程的界面，通過RS485串口通信與底層控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并繪制實(shí)時(shí)功率和頻率曲線。搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)如圖13所示。

在能量管理功率指令PEMS=2.5 kW不變的條件下，系統(tǒng)固定負(fù)載P′Load1=10 kW，可投切負(fù)載P′Load2=5 kW，在t=7.5 s時(shí)投切負(fù)載，分別針對(duì)無輔助調(diào)頻、常規(guī)PD控制調(diào)頻和ADRC調(diào)頻進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)。將不同算法的系統(tǒng)頻率、同步發(fā)電機(jī)功率和并網(wǎng)逆變器功率的實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖14～圖16所示。

由圖14～圖16可得，相同負(fù)荷擾動(dòng)下，常規(guī)PD控制和ADRC都能有效改善系統(tǒng)頻率暫態(tài)特性，系統(tǒng)頻率擾動(dòng)最大幅值和恢復(fù)速度都有明顯提高，ADRC對(duì)頻率暫態(tài)響應(yīng)的改善效果更佳。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析如表4～表5所示。

對(duì)比常規(guī)PD控制，ADRC的引入使得系統(tǒng)頻率偏差減小了0.14 Hz左右，穩(wěn)定時(shí)間也減小了約1 s，明顯改善了系統(tǒng)暫態(tài)頻率特性。

另外，本文中輔助調(diào)頻對(duì)系統(tǒng)頻率的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)并無貢獻(xiàn)，輔助調(diào)頻是在頻率變化過程中參與系統(tǒng)的調(diào)頻，暫態(tài)調(diào)頻結(jié)束后，能量管理根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)各電源的輸出功率進(jìn)行調(diào)整，并進(jìn)行二次調(diào)頻。

5 結(jié) 論

本文通過對(duì)獨(dú)立微網(wǎng)頻率響應(yīng)特性分析，得出了一種基于ADRC的輔助調(diào)頻方法，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)，與常規(guī)PD控制方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。由對(duì)比結(jié)果可的，ADRC和常規(guī)PD控制一樣，在負(fù)荷擾動(dòng)條件下都能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供一定的慣性支持和頻率支撐。

由于ADRC是通過對(duì)系統(tǒng)頻率擾動(dòng)的觀測(cè)與補(bǔ)償，具有更好的動(dòng)態(tài)特性，因此相比于常規(guī)PD控制，ADRC能更好地抑制系統(tǒng)頻率擾動(dòng)，頻率的波動(dòng)幅度和穩(wěn)定時(shí)間都能夠得到更好改善。通過對(duì)比不同參數(shù)下ADRC的控制性能，可得控制對(duì)象的參數(shù)一定范圍內(nèi)變化時(shí)，并不影響其控制效果，可見該控制算法在實(shí)際系統(tǒng)中具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和魯棒性。

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（編輯：劉琳琳）