微電網(wǎng)運行模式切換下儲能變流器雙無源控制策略

劉暉，雷勇，朱英偉，杜佳耘，周威，楊志星

(四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引言

隨著對能源危機的擔(dān)憂和對環(huán)境保護(hù)的日益重視，將可再生能源發(fā)電、負(fù)荷、儲能系統(tǒng)及控制裝置等結(jié)合的微電網(wǎng)受到人們的關(guān)注[1-2]。其中，儲能裝置可平抑可再生能源發(fā)電的功率波動，對微電網(wǎng)而言意義重大[3]。儲能變流器是實現(xiàn)儲能裝置與微電網(wǎng)之間功率交換的樞紐，其控制性能對微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行十分關(guān)鍵。

微電網(wǎng)儲能變流器并網(wǎng)運行時通常采用P/Q控制，離網(wǎng)運行時控制策略有下垂控制[4-5]和主從控制[6-7]。下垂控制無法實現(xiàn)電壓和頻率的無差調(diào)節(jié)，且下垂系數(shù)設(shè)計不易，在電網(wǎng)參數(shù)存在巨大變化時，傳統(tǒng)下垂控制難以保持微電網(wǎng)的穩(wěn)定[8]。因此，在微電網(wǎng)孤島運行時本文采用主從控制策略。

無論是并網(wǎng)P/Q控制策略還是孤島主從控制策略，在內(nèi)環(huán)都需要設(shè)計控制器追蹤參考電流。PI控制應(yīng)用廣泛，但存在超調(diào)量和動態(tài)響應(yīng)速度之間的矛盾，難以達(dá)到很好的控制效果[9]。自抗擾控制[10-11]抗干擾性較好，但參數(shù)眾多，彼此間很難確定界限。模糊控制[12-13]無需精確數(shù)學(xué)模型，但模糊規(guī)則缺乏系統(tǒng)性，穩(wěn)態(tài)精度差?；た刂芠14-15]響應(yīng)速度快、魯棒性好，但是易存在抖動現(xiàn)象，影響控制精度。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[16-17]自適應(yīng)強、魯棒性好，但依賴于權(quán)重調(diào)整優(yōu)化算法，容易陷入局部最小值。

無源控制從系統(tǒng)能量流動的角度出發(fā)來設(shè)計控制器，設(shè)計過程清晰、思路明確并且控制效果良好，因而受到關(guān)注[18]。文獻(xiàn)[19]針對超導(dǎo)磁儲能和蓄電池儲能系統(tǒng)設(shè)計了能量成型控制策略，但是孤島運行時外環(huán)仍然采用了PI控制策略，因而需要整定的控制參數(shù)較多且外環(huán)控制效果不佳。文獻(xiàn)[20]設(shè)計了孤島模式下微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)能量成型控制策略，但沒有研究微電網(wǎng)并網(wǎng)運行模式以及運行模式的切換問題。系統(tǒng)無源性是設(shè)計無源控制策略的理論前提，目前研究缺少對儲能變流器無源性的證明，且均未能實現(xiàn)微電網(wǎng)電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的完整無源控制策略設(shè)計。

本文首先對微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并對應(yīng)用廣泛的電壓源型逆變器進(jìn)行端口受控哈密爾頓（port-controlled Hamiltonian-with-dissipation,PCHD）建模，然后在證明變流器無源性的基礎(chǔ)上，設(shè)計基于孤島電壓外環(huán)無源控制器和電流內(nèi)環(huán)無源控制器的雙無源控制策略，最后通過仿真驗證了微電網(wǎng)中采用雙無源控制可以更好維持母線電壓和微電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性，提高微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行能力。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及儲能變流器模型

圖1展示了微電網(wǎng)的一種結(jié)構(gòu)框圖。靜態(tài)開關(guān)STS閉合，微電網(wǎng)并網(wǎng)運行；靜態(tài)開關(guān)斷開，微電網(wǎng)運行在孤島模式。圖2展示了儲能變流器與微電網(wǎng)連接的示意以及本文提出的控制策略。

圖1 基于主從結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)示意Fig.1 Schematic diagram of micro-grid based on master-slave structure

圖2 微網(wǎng)儲能變流器雙無源控制示意Fig.2 Schematic diagram of dual-passivity-based control of microgrid energy storage converter

由圖2易知，系統(tǒng)d-q坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型為

式中：L、C、R分別為儲能變流器交流側(cè)濾波電感、濾波電容和線路等效電阻；id、iq分別為圖2中iabc的d軸和q軸分量；igd、igq分別為圖2中igabc的d軸和q軸分量；ed、eq分別為圖2中微電網(wǎng)母線電壓eabc的d軸和q軸分量；Sd、Sq為開關(guān)函數(shù)。

并網(wǎng)時，控制儲能變流器與電網(wǎng)交換的功率，可平抑微電網(wǎng)分布式發(fā)電的功率波動。并網(wǎng)運行時功率與電流的關(guān)系為

將式（2）與式（3）合并，得到圖2中并網(wǎng)P/Q環(huán)的控制規(guī)律為

孤島時，通過儲能變流器的控制實現(xiàn)微電網(wǎng)交流母線電壓和頻率的穩(wěn)定。

2 無源控制器的設(shè)計

根據(jù)哈密爾頓系統(tǒng)理論[18]，系統(tǒng)PCHD模型的動態(tài)方程為

式中：J（x）為反映內(nèi)部互聯(lián)特性的內(nèi)部結(jié)構(gòu)矩陣，具有反對稱性；R（x）為描述系統(tǒng)耗散特性的矩陣，具有半正定的性質(zhì)；H（x）是描述系統(tǒng)能量的函數(shù)；g（x）為系統(tǒng)外部端口互聯(lián)矩陣；u為系統(tǒng)輸入量；x為狀態(tài)變量矩陣；y為系統(tǒng)輸出量。

2.1 孤島電壓環(huán)控制設(shè)計

微電網(wǎng)孤島運行時，電壓環(huán)的控制目標(biāo)是生成電流參考指令。由式（1）和式（5）可得系統(tǒng)電壓環(huán)PCHD模型為

根據(jù)無源控制理論，無源系統(tǒng)會由于能量耗散運行到能量最低點，如果系統(tǒng)期望達(dá)到另一個指定的平衡位置，則可以向系統(tǒng)注入適當(dāng)?shù)耐獠磕芰縼韺崿F(xiàn)。下面對電壓環(huán)無源性進(jìn)行證明。

式中：R（x）為非負(fù)矩陣。

由式（8）推得

由式（9）可知，系統(tǒng)的能量增加量小于外部提供的能量，因此系統(tǒng)是無源的[18]。該證明過程同樣適用于電流環(huán)無源性的證明。

解得平衡點處id、iq的值id0*、iq0*為

式中：Jd（x）、Rd（x）分別為系統(tǒng)期望的內(nèi)部結(jié)構(gòu)矩陣和耗散矩陣，Ja（x）、Ra（x）分別為向系統(tǒng)注入能量后新增的內(nèi)部結(jié)構(gòu)矩陣和耗散矩陣。

聯(lián)立（5）、（12）和（13），可得無源控制中的能量匹配方程為

由式（15）和式（11）解得id、iq，作為微電網(wǎng)孤島運行時電流環(huán)的參考信號id*、iq*。

式（16）即為圖2孤島電壓環(huán)控制器方程。

2.2 電流環(huán)控制設(shè)計

電流環(huán)的控制目標(biāo)是追蹤孤島電壓環(huán)或并網(wǎng)P/Q環(huán)生成的參考電流信號。采用無源控制策略時，電流環(huán)和電壓環(huán)一樣，遵循無源控制理論的設(shè)計過程。

系統(tǒng)電流環(huán)的PCHD模型可寫為

設(shè)定電流環(huán)的平衡點id*、iq*為式（4）或式（16）生成的參考電流信號。在平衡點處，系統(tǒng)期望的能量函數(shù)為Hd（x）=0.5L（id2?id*2）+0.5L（iq2?iq*2），且應(yīng)滿足。因此，系統(tǒng)在平衡點處電流環(huán)PCHD模型為

解得，平衡點處

由式（19）和式（20），可得圖2中電流環(huán)無源控制器控制方程為

此外，若將孤島電壓環(huán)控制器方程（16）和電流環(huán)控制器方程（21）綜合，可得孤島運行時微電網(wǎng)儲能變流器控制方程為

3 仿真分析

為驗證本文所提微電網(wǎng)雙無源控制策略的有效性，在Matlab/Simulink仿真平臺上按圖1所示搭建了微電網(wǎng)模型。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters

由式（16）、（21）可知，孤島電壓環(huán)和電流環(huán)無源控制的實現(xiàn)需整定阻尼參數(shù)r1和r2。由圖2可知，并網(wǎng)運行時，系統(tǒng)僅受到電流環(huán)阻尼參數(shù)r2的影響。因此，先讓微電網(wǎng)運行在并網(wǎng)模式，整定r2的值。然后使系統(tǒng)孤島運行，整定電壓環(huán)阻尼參數(shù)r1。采用仿真測試的方法，逐步增大阻尼參數(shù)，直到實現(xiàn)滿意效果。本文取電壓環(huán)阻尼參數(shù)r1=1.5，電流環(huán)阻尼參數(shù)r2=500。

按照圖1所示搭建微電網(wǎng)系統(tǒng)，將本文所提孤島電壓環(huán)和電流環(huán)雙無源控制策略與外環(huán)PI控制內(nèi)環(huán)能量成型控制的單無源控制策略[19]、傳統(tǒng)雙環(huán)PI控制策略[9]進(jìn)行比較。其中PI參數(shù)按經(jīng)典方法整定，電流環(huán)取Kip=2.3、Kii=500，電壓環(huán)取Kup=1.66、Kui=200。

仿真分析時，重點針對孤島啟動、孤島較大負(fù)荷投切和非計劃性并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島等不利情況展開。在 0～0.2 s和 0.4～0.6 s，微電網(wǎng)系統(tǒng)處于孤島運行模式；在0.2～0.4 s系統(tǒng)并網(wǎng)運行，主逆變器有功功率指令在 0.2～0.3 s設(shè)置為–100 kW，在0.3～0.4 s為 50 kW。微電網(wǎng)一般負(fù)荷（50 kW）僅在0.1～0.5 s接入，重要負(fù)荷（100 kW）和從逆變器（50 kW）一直接入系統(tǒng)。

圖3是微電網(wǎng)母線電壓波形，圖4是微電網(wǎng)A相母線電壓波形。由圖3可知，在微電網(wǎng)啟動瞬間， PI控制下母線電壓ed、ed需經(jīng)0.075 s達(dá)到穩(wěn)定，且存在明顯超調(diào)。單無源控制需經(jīng)0.045 s電壓達(dá)到穩(wěn)定，電壓超調(diào)量較PI控制大大降低。雙無源控制下母線電壓ed、ed經(jīng)0.004 s即達(dá)到穩(wěn)定，且?guī)缀鯖]有超調(diào)。系統(tǒng)在0.1 s和0.5 s時刻進(jìn)行孤島負(fù)荷投切，PI控制和單無源控制下母線電壓ed、ed都出線較大抖動，而雙無源控制下電壓響應(yīng)更好。系統(tǒng)在0.4 s時刻由并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運行，PI控制和單無源控制下母線電壓ed出現(xiàn)抖動，而雙無源控制下母線電壓非常平滑沒有出現(xiàn)抖動。由圖4可知，在雙無源控制、單無源控制和PI控制下，A相母線電壓波動范圍依次為302～330 V、280～342 V、277～424 V。在微網(wǎng)經(jīng)歷孤島啟動（0 s）、負(fù)荷投切（0.1 s和 0.5 s）或運行模式切換（0.2 s和0.4 s）等時刻后，雙無源控制下母線電壓波形抖動都更小。

圖3 微電網(wǎng)母線電壓波形Fig.3 Microgrid bus voltage waveforms

圖4 微電網(wǎng)A相母線電壓Fig.4 Phase A bus voltage waveforms of microgrid

圖5是微電網(wǎng)頻率波形。由圖5可知，在PI控制下微電網(wǎng)頻率波動范圍為 49.919 ～50.100 Hz，單無源控制下微電網(wǎng)頻率波動范圍為49.894～50.069 Hz，雙無源控制下微電網(wǎng)頻率波動范圍為49.974～50.017 Hz。相比PI控制和單無源控制，采用雙無源控制策略時，微電網(wǎng)頻率波動更小，頻率更穩(wěn)定。

圖5 微電網(wǎng)頻率波形Fig.5 Microgrid frequency waveforms

圖6是主逆變器功率波形。在0～0.2 s和0.4～0.6 s，微電網(wǎng)處于孤島運行模式，采用雙無源控制時母線電壓相比PI控制和單無源控制更加穩(wěn)定，因此系統(tǒng)能更好響應(yīng)負(fù)荷功率需求。在0.2～0.4 s，微電網(wǎng)處于并網(wǎng)模式，由圖6可以看到，電流內(nèi)環(huán)采用無源控制時，有功功率響應(yīng)超調(diào)量更小，且更快達(dá)到穩(wěn)定。

圖6 主逆變器功率波形Fig.6 Main inverter power waveforms

4 結(jié)語

為更好維持微電網(wǎng)在孤島啟動、孤島負(fù)荷投切和非計劃性離網(wǎng)等不利條件下電壓頻率的穩(wěn)定性，本文設(shè)計了微電網(wǎng)基于孤島電壓環(huán)無源控制器和電流內(nèi)環(huán)無源控制器的雙無源控制策略。本文在理論上證明了儲能變流器電壓環(huán)的無源性，進(jìn)而通過PCHD建模、設(shè)定平衡點、求解能量匹配方程等步驟完成了微電網(wǎng)兩個無源控制器的設(shè)計。并且，通過仿真驗證了相比傳統(tǒng)單無源控制和PI控制，采用雙無源控制策略可有效減小微電網(wǎng)孤島模式不利條件下電壓頻率的波動，有效降低并網(wǎng)模式下儲能逆變器功率響應(yīng)的超調(diào)，并實現(xiàn)孤島/并網(wǎng)運行模式的平滑切換。