孤島運(yùn)行光儲微電網(wǎng)控制策略研究

張萬家, 趙 耀

(上海電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 上海 200090)

光儲微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí),光伏發(fā)電單元和儲能單元通過輸出功率來滿足負(fù)荷的功率需求。但是,光伏發(fā)電存在不穩(wěn)定、平衡功率難度大、影響電能質(zhì)量等問題[1-3]。系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷的波動也會對微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)。研究發(fā)現(xiàn),通過對系統(tǒng)內(nèi)變換器采取有效控制策略可以保證系統(tǒng)的電壓頻率穩(wěn)定[4-5]。

對微電網(wǎng)逆變器采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗允潜ＷC系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。對于光伏逆變器,通常采用恒功率控制策略保證穩(wěn)定的功率輸出。文獻(xiàn)[6-7]采用改進(jìn)的光伏逆變器控制策略提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量。為實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電機(jī)組之間負(fù)荷的合理分配,儲能逆變器通常采用下垂控制策略[8]。文獻(xiàn)[9-10]提出自適應(yīng)的虛擬阻抗用于分配非線性負(fù)載的無功功率。文獻(xiàn)[11]通過將虛擬阻抗與二次控制相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了不匹配饋線阻抗的功率合理分配。以上控制策略都基于PI環(huán)節(jié)來維持微電網(wǎng)的功率穩(wěn)定,但是其控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜,有多個(gè)反饋回路,導(dǎo)致動態(tài)響應(yīng)速度慢。

在現(xiàn)有的微電網(wǎng)研究中,通常沒有考慮可再生能源的間歇性,從實(shí)際應(yīng)用的角度,必須考慮能源的間歇性,傳統(tǒng)的線性級聯(lián)控制不能有效應(yīng)對這種波動,因此需要更先進(jìn)的控制方法來確保微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

近年來,模型預(yù)測控制(Model Predictive Control,MPC)被廣泛應(yīng)用于微電網(wǎng)的控制策略中[12]。在逆變器控制領(lǐng)域,根據(jù)控制時(shí)域的不同,MPC可以分為連續(xù)狀態(tài)的連續(xù)集模型預(yù)測控制(Continuous Control Set-MPC,CCS-MPC)和離散狀態(tài)的有限集模型預(yù)測控制(Finite Control Set-MPC,FCS-MPC)。相比于CCS-MPC,FCS-MPC無需脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)環(huán)節(jié),且利用了逆變器的離散特性和開關(guān)狀態(tài)有限等特點(diǎn),在電力電子系統(tǒng)中得到了廣泛關(guān)注。相比于PI調(diào)節(jié)的滯后性,FCS-MPC采用主動預(yù)測方法,能顯著提高儲能系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。文獻(xiàn)[13]提出了利用FCS-MPC策略控制儲能系統(tǒng)的變換器來平滑光伏系統(tǒng)輸出和穩(wěn)定直流母線電壓。文獻(xiàn)[14]將FCS-MPC與下垂控制方法結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)逆變交流微電網(wǎng)的控制,但是該方法沒有考慮新能源波動對系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)[15]提出了一種多步預(yù)測的FCS-MPC算法,在兩個(gè)周期內(nèi)保證了所選開關(guān)狀態(tài)最優(yōu),但是沒有具體應(yīng)用在微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[16]采用分布式MPC方法對直流電網(wǎng)中風(fēng)能和太陽能系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。文獻(xiàn)[17]提出了一種不使用PI調(diào)節(jié)器的MPC策略,通過基于模型預(yù)測電流控制電池儲能系統(tǒng)的雙向DC-DC變換器,可以平滑可再生能源輸出的波動,同時(shí)保持穩(wěn)定的直流電壓,采用模型預(yù)測電壓控制對交直流聯(lián)用變換器進(jìn)行控制,確保微電網(wǎng)與電網(wǎng)之間交流電壓供應(yīng)穩(wěn)定,功率流動正常。文獻(xiàn)[18]提出了MPC策略來控制儲能系統(tǒng)的變換器,以平滑光伏輸出和穩(wěn)定直流總線電壓。但文獻(xiàn)[16-18]采用的MPC均未考慮在系統(tǒng)存在建模誤差或面臨較大擾動的情況下,一個(gè)控制周期內(nèi)的局部尋優(yōu)算法可能導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題。

本文以獨(dú)立運(yùn)行的光儲系統(tǒng)為研究對象,提出一種考慮新能源波動的微電網(wǎng)MPC策略。對光儲的DC-DC變換器采用穩(wěn)壓控制,使儲能系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)輸入逆變器前的電壓都穩(wěn)定在參考值;對儲能逆變器的內(nèi)環(huán)搭建預(yù)測模型,并在目標(biāo)函數(shù)中考慮了多步預(yù)測,提高了FCS-MPC算法精度以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。改進(jìn)后的方法繼承了傳統(tǒng)FCS-MPC 動態(tài)性能良好的特點(diǎn),解決了傳統(tǒng)PI控制動態(tài)速度響應(yīng)慢的問題,改善了系統(tǒng)受到較大擾動或建模存在誤差時(shí)所造成的預(yù)測偏差的問題。

1 獨(dú)立光儲微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

圖1為本文所研究的光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),包含光伏系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)以及負(fù)荷,各分布式電源經(jīng)過逆變器接在0.38 kV額定電壓的交流母線上。其中,DG1、DG2表示儲能系統(tǒng)。

圖1 光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏電池輸出功率受天氣影響較大,為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,采用最大功率或恒定的功率輸出,因此本文中光伏系統(tǒng)采用基于最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)穩(wěn)壓的PQ(恒功率)解耦控制。儲能系統(tǒng)的DC-DC變換器采用穩(wěn)壓控制策略,AC-DC逆變器采用下垂控制與MPC相結(jié)合的控制方式,實(shí)現(xiàn)對負(fù)荷功率的合理分配來維持系統(tǒng)電壓頻率穩(wěn)定。

在微電網(wǎng)系統(tǒng)中,忽略系統(tǒng)的能量損耗,上述系統(tǒng)輸出功率之間的關(guān)系式如下

Pload=Pbat+PPV

(1)

式中:Pload——負(fù)荷功率;Pbat——儲能系統(tǒng)輸出功率;PPV——光伏系統(tǒng)輸出功率。

2 光儲微電網(wǎng)控制策略

2.1 光伏控制策略

本文采用的光伏系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。其中:UPV、IPV分別為光伏電池輸出的電壓和電流;Pref和Qref分別為有功功率和無功功率參考值;L和C分別為濾波電感和濾波電容;Ud為測量到的直流電壓;SPMW為正弦波脈寬調(diào)制(Sine Wave Pulse Width Modulation)。光伏陣列先通過DC-DC變換器升壓,并采用MPPT控制實(shí)現(xiàn)對光伏電池輸出功率的控制;DC-AC逆變器采用PQ控制策略為負(fù)載提供穩(wěn)定的功率輸出。采用MPPT控制和PQ控制結(jié)合可以提高系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確度以及光伏發(fā)電的利用率。其中,MPPT控制采用擾動觀察法,通過給予輸出電壓小擾動觀測輸出功率的變化趨勢進(jìn)而不斷調(diào)整電壓,使光伏系統(tǒng)輸出功率達(dá)到最大值。

圖2 光伏系統(tǒng)控制框圖

圖3 PQ控制框圖

圖3中,令電壓矢量與d軸保持同一方向,所以q軸電壓分量為零,可以得到電流參考值為

(2)

將參考電流與實(shí)際電流做差后進(jìn)行PI控制,并考慮了交叉前饋補(bǔ)償和電壓前饋補(bǔ)償,得到SPWM調(diào)制電壓信號,輸出穩(wěn)定的有功、無功功率。其中d軸和q軸電壓的方程如下

(3)

式中:kp、ki——PI控制器比例、積分環(huán)節(jié)系數(shù)。

2.2 儲能控制策略

2.2.1 穩(wěn)壓控制

儲能系統(tǒng)的DC-DC變換器采用穩(wěn)壓控制策略,可以將輸入到逆變器的電壓維持在固定值,有利于維持系統(tǒng)穩(wěn)定。

儲能穩(wěn)壓控制框圖如圖4所示。儲能系統(tǒng)采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略,將參考值Udc_ref與實(shí)際值Udc做差之后通過PI控制器,再經(jīng)過限幅環(huán)節(jié)得到電流參考值,再與電流實(shí)際值Ib做差之后通過PI控制器得到變換器的輸入信號。

圖4 儲能穩(wěn)壓控制框圖

2.2.2 下垂控制

對于孤島微電網(wǎng)來說,儲能逆變器的控制目標(biāo)是為負(fù)載建立穩(wěn)定和平衡的輸出電壓。下垂控制無需通信環(huán)節(jié),當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)可以快速準(zhǔn)確地分配各個(gè)儲能的功率,使系統(tǒng)達(dá)到安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

儲能逆變器采用雙環(huán)控制方式。通過采集電感電流和電容電壓進(jìn)行功率計(jì)算,得到有功、無功功率實(shí)際值;由式(4)計(jì)算電壓、頻率的參考值U、f,再經(jīng)過限幅環(huán)節(jié)以及三相電壓合成得到電壓參考值。

(4)

式中:U*——額定電壓;nj、mj——電壓和頻率的下垂控制斜率,j為DG1和DG2的逆變器,j=1,2;

Qj——平均無功功率;

Q*——額定無功功率;

f*——額定頻率;

Pj——平均有功功率;

P*——額定有功功率。

電壓電流雙閉環(huán)控制框圖如圖5所示。

圖5 電壓電流雙閉環(huán)控制框圖

(5)

(6)

P-f、Q-U的下垂控制策略控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜,有多個(gè)反饋回路和PWM調(diào)制環(huán)節(jié),導(dǎo)致動態(tài)響應(yīng)速度慢,而且,PI參數(shù)整定費(fèi)時(shí),使得控制器效果不容易實(shí)現(xiàn)。在微電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)功率波動時(shí),由于微電網(wǎng)的抗干擾能力較弱,需要儲能系統(tǒng)具有快速響應(yīng)的能力,因此需要提高儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度。

2.2.3 模型預(yù)測控制

圖6 儲能逆變器MPC控制結(jié)構(gòu)

逆變器有3個(gè)分支,每個(gè)分支包含2個(gè)開關(guān),即S1～S6,可以使用數(shù)字1和0分別表示它們的開關(guān)狀態(tài)。如果上開關(guān)斷開,另一個(gè)開關(guān)接通,則為0;如果上開關(guān)接通,另一個(gè)開關(guān)斷開,則為1。開關(guān)的動作影響逆變器的輸出電壓(U0,U1,U2,…,U7),對應(yīng)有8種可能的開關(guān)狀態(tài)(000,100,110,010,011,001,101,111)。逆變器的電壓矢量Ui可以表示為

(7)

由于U0和U7的輸出電壓結(jié)果相同,可以忽略其中一個(gè),用7個(gè)矢量來控制逆變器。這些向量中的每一個(gè)都可以用來預(yù)測代價(jià)函數(shù),使代價(jià)函數(shù)最小的向量用于在下一個(gè)采樣間隔內(nèi)控制逆變器。

假設(shè)3個(gè)支路的參數(shù)值都相等,LC濾波器電容的動態(tài)行為可表示為

(8)

式中:Ui——逆變器電壓矢量的模值。

在式(8)中,將i0視為擾動變量,可由電流傳感器測量或由觀測器估計(jì)得出,if和UC為狀態(tài)變量,Ui為控制信號。根據(jù)式(8),離散時(shí)間內(nèi)的數(shù)學(xué)模型可以表示為

x(k+1)=Adx(k)+Bdu(k)

(9)

其中:

(10)

式中:Ts——采樣周期。

在MPC中,目標(biāo)函數(shù)用于選擇適當(dāng)?shù)目刂菩盘枴Ｓ捎诠聧u微電網(wǎng)需要對輸出電壓進(jìn)行控制,因此目標(biāo)函數(shù)定義為電容電壓跟蹤誤差的二次函數(shù),以選擇合適的控制信號。目標(biāo)函數(shù)g1可設(shè)置為

(11)

式中:UCα(k+1)、UCβ(k+1)——k+1時(shí)刻電容電壓的實(shí)分量和虛分量。

其中電壓的參考值是由下垂控制得到的。在此目標(biāo)函數(shù)的基礎(chǔ)上,在下一個(gè)采樣周期中應(yīng)用使g1值最小的電壓向量。由于α和β分別被獨(dú)立控制,UC可以跟蹤參考值。

在實(shí)際計(jì)算過程中,當(dāng)系統(tǒng)存在建模誤差或發(fā)生大擾動時(shí),在第k個(gè)采樣周期內(nèi)計(jì)算出的最優(yōu)開關(guān)狀態(tài),應(yīng)用到k+1時(shí)刻可能并不是使目標(biāo)函數(shù)最小的開關(guān)狀態(tài),但是在k時(shí)刻確定的開關(guān)狀態(tài)在k+1時(shí)刻仍繼續(xù)使用,從而導(dǎo)致預(yù)測值偏離參考值。單步預(yù)測的傳統(tǒng)MPC原理如圖7所示。

圖7 單步預(yù)測的傳統(tǒng)MPC原理

圖7中,系統(tǒng)在k+2時(shí)刻雖然達(dá)到了最優(yōu)狀態(tài),但是k+2時(shí)刻輸出的開關(guān)狀態(tài)均未穿越給定的參考值x*(k),因此在k+4時(shí)刻,系統(tǒng)發(fā)生發(fā)散,偏離參考值更遠(yuǎn)。

預(yù)測步數(shù)太少會導(dǎo)致跟蹤精度不夠,但預(yù)測步數(shù)越多,控制器計(jì)算量就越大,因此本文取儲能電壓的二步長預(yù)測值加入目標(biāo)函數(shù)。采用兩步預(yù)測控制,在k+1時(shí)刻計(jì)算出使k+3時(shí)刻目標(biāo)函數(shù)最小的開關(guān)狀態(tài),并在k+2時(shí)刻應(yīng)用,同時(shí)保留一步預(yù)測的目標(biāo)函數(shù),提高模型預(yù)測控制精度。多步預(yù)測MPC原理如圖8所示。

圖8 多步預(yù)測MPC原理

通過預(yù)測未來兩個(gè)時(shí)刻的預(yù)測值選擇最優(yōu)輸出狀態(tài),保證了系統(tǒng)在兩個(gè)控制周期內(nèi)所選輸出狀態(tài)最優(yōu)。因此,多步預(yù)測的目標(biāo)函數(shù)gcon如下:

(12)

3 仿真結(jié)果分析

3.1 儲能系統(tǒng)穩(wěn)壓控制策略仿真

在MATLAB/Simulink中進(jìn)行仿真測試,選取蓄電池模型,設(shè)置參考電壓為400 V。按照上述穩(wěn)壓控制策略搭建DC/DC 變換器及其控制模塊,設(shè)置仿真時(shí)間為1 s,輸出電壓波形如圖9所示。由圖9可以看出,通過穩(wěn)壓控制調(diào)節(jié)儲能輸出電壓,在0.07 s左右便維持在了400 V,具有快速的響應(yīng)特性,穩(wěn)定效果良好。

圖9 儲能穩(wěn)壓控制電壓波形

3.2 光伏系統(tǒng)MPPT仿真測試

在Simulink中搭建光伏系統(tǒng)的仿真模型,設(shè)置初始光照強(qiáng)度為2 kW/m2,溫度為25 ℃。在0.5 s時(shí)提高光照強(qiáng)度至2.5 kW/m2,1 s時(shí)提高溫度至30 ℃,仿真時(shí)間設(shè)置為1.5 s。仿真測試結(jié)果如圖10所示。

圖10 光伏系統(tǒng)MPPT仿真測試結(jié)果

由圖10可知,在不到0.1 s的時(shí)間內(nèi),MPPT控制實(shí)現(xiàn)了最大功率的跟蹤,跟蹤速度良好,同時(shí)當(dāng)外界條件發(fā)生變化時(shí),在不到0.01 s的時(shí)間內(nèi)MPPT控制實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確跟蹤,靈敏度良好。

3.3 儲能逆變器控制策略仿真

根據(jù)上述對光伏和儲能系統(tǒng)逆變器的分析,在Simulink仿真平臺搭建光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型。對傳統(tǒng)的基于電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的下垂控制,基于傳統(tǒng)MPC以及基于改進(jìn)MPC的儲能逆變器控制策略分別進(jìn)行仿真分析,驗(yàn)證控制策略的有效性。

聯(lián)立式(2)、式(3)、式(5)、式(6)可以得到PQ控制和下垂控制的雙環(huán)傳遞函數(shù)。設(shè)定儲能逆變器參數(shù)電容Cf為1.5 mF,電感Lf為0.6 mH。首先根據(jù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)得到PI控制參數(shù)初值,再基于經(jīng)驗(yàn)法[19],通過實(shí)驗(yàn)最終確定電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的PI參數(shù)。其中:電壓外環(huán)kp=12,ki=0.2;電流內(nèi)環(huán)kp=0.1,ki=0.01。儲能電池容量為350 Ah,逆變器標(biāo)準(zhǔn)電壓為380 V,額定頻率為50 Hz。同理,根據(jù)傳遞函數(shù)和經(jīng)驗(yàn)法得到:光伏逆變器電壓外環(huán)PI 參數(shù)kp=0.5,ki=10;電流內(nèi)環(huán)PI參數(shù)kp=20,ki=200。設(shè)定光照充足時(shí)光伏電池的輸出功率大于10 kW,光伏PQ控制參考有功功率設(shè)為10 kW,參考無功功率設(shè)置為零。為了驗(yàn)證模型在負(fù)荷發(fā)生改變時(shí)的穩(wěn)定能力,2 s時(shí),DG1的本地負(fù)載由(12 kW,3 kVA)增加到(22 kW,4 kVA),DG2的本地負(fù)載在4 s時(shí)由(23 kW,9 kVA)下降到(13 kW,2 kVA);然后在3 s接通公共負(fù)載(15 kW,14 kVA),并在5 s切斷。

光伏系統(tǒng)PQ控制輸出功率波形如圖11所示。

圖11 光伏系統(tǒng)PQ控制輸出功率波形

由圖11可知,仿真開始階段系統(tǒng)有一定波動,在不到0.1 s的時(shí)間內(nèi)完成調(diào)節(jié),輸出恒定的有功、無功功率,并且在負(fù)荷變化時(shí),仍能保持恒定的功率輸出。

儲能系統(tǒng)輸出的有功功率如圖12所示。由圖12可以看出,采用不同內(nèi)環(huán)控制器下負(fù)荷功率的分配情況。通過連接和切斷負(fù)荷,體現(xiàn)了該方法的動態(tài)性能。相較于傳統(tǒng)的PI控制,采用MPC控制可以更為快速準(zhǔn)確地分配負(fù)荷功率。相較于傳統(tǒng)MPC控制,采用多步長改進(jìn)MPC控制可以減小系統(tǒng)最大偏差,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖12 儲能系統(tǒng)輸出的有功功率

DG1輸出的有功功率在2 s時(shí)的放大波形,如圖13所示。由圖13可知:基于PI控制的傳統(tǒng)儲能逆變器控制經(jīng)過15 ms輸出穩(wěn)定的功率,且最大輸出功率偏差為2.5 kW;傳統(tǒng)MPC控制經(jīng)過4 ms可以輸出穩(wěn)定的功率,輸出功率最大偏差為1.9 kW;而改進(jìn)MPC控制經(jīng)過5 ms即可輸出穩(wěn)定的功率,輸出功率最大偏差為1.5 kW。與基于傳統(tǒng)MPC的下垂控制策略相比,多步長改進(jìn)MPC控制策略減小了系統(tǒng)的最大偏差,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,但略微增加了調(diào)節(jié)時(shí)間。與基于PI的傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制相比,多步長改進(jìn)MPC控制下的儲能系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度提升很大,提高了系統(tǒng)平抑微電網(wǎng)功率波動的能力。由于儲能系統(tǒng)輸出無功功率呈現(xiàn)出類似規(guī)律,因此不再繪制。

圖13 2 s時(shí)DG1輸出有功功率的放大波形

采用不同內(nèi)環(huán)控制器時(shí)交流母線電壓有效值和系統(tǒng)頻率波形如圖14所示。

圖14 交流母線線電壓有效值和系統(tǒng)頻率波形

下垂控制會產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差,使母線電壓和頻率不能恢復(fù)到初始狀態(tài)。通過連接和切斷負(fù)荷,可檢驗(yàn)各方法動態(tài)性能和控制策略的穩(wěn)定性。由圖14可知,負(fù)荷發(fā)生較大變化時(shí),電壓和頻率都能夠迅速恢復(fù)到允許范圍。因此,本文所提控制策略對于各種敏感性負(fù)載負(fù)荷變化時(shí),電能質(zhì)量能夠符合要求。

4 結(jié) 語

本文針對傳統(tǒng)PI雙閉環(huán)控制存在動態(tài)響應(yīng)速度不佳以及微電網(wǎng)穩(wěn)定性差等問題,提出了一種適用于孤島儲能逆變器的改進(jìn)MPC方法。采用穩(wěn)壓控制策略,保證輸入逆變器的電壓為恒定值,減小輸入電壓波動對控制策略的影響,對儲能逆變器采用基于多步預(yù)測MPC的下垂控制,實(shí)現(xiàn)對負(fù)荷功率的合理分配,提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性,保證系統(tǒng)具有良好的電能質(zhì)量。