鄭天文， 劉鋒， 肖先勇， 周業(yè)如， 梅生偉

(1.清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084;2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610065;3.宣城供電公司，安徽宣城 242000)

鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電的雙閉環(huán)自抗擾控制器設(shè)計(jì)

鄭天文1， 劉鋒1， 肖先勇2， 周業(yè)如3， 梅生偉1

(1.清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084;2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610065;3.宣城供電公司，安徽宣城 242000)

針對(duì)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(battery energy storage system，BESS)具有非線性、時(shí)變、強(qiáng)耦合的特征，以及模型誤差和不確定外擾對(duì)系統(tǒng)控制的影響，基于自抗擾控制(active disturbance rejection control，ADRC)技術(shù)對(duì)BESS充放電控制策略與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。首先建立了適用于自抗擾控制的BESS數(shù)學(xué)模型;然后提出了BESS自抗擾控制一般設(shè)計(jì)方法;最后設(shè)計(jì)了BESS雙閉環(huán)自抗擾控制方案，并在PSCAD/EMTDC環(huán)境中構(gòu)建了仿真模型，比較分析了采用傳統(tǒng)PI控制和自抗擾控制時(shí)BESS的動(dòng)態(tài)性能。仿真結(jié)果表明，雙閉環(huán)自抗擾控制下的BESS充放電控制，在充電電壓/電流等參考值變化、電網(wǎng)電壓波動(dòng)以及系統(tǒng)參數(shù)變化等工況下，相比傳統(tǒng)PI控制，均具有更好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和抗擾動(dòng)能力。

鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng);充放電控制;自抗擾控制;不確定擾動(dòng)

0 引言

風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電是傳統(tǒng)發(fā)電形式的重要補(bǔ)充，其在電力能源中所占比例也逐年增加［1］。然而，風(fēng)電、光伏發(fā)電等電源由于自身的間歇性、波動(dòng)性以及負(fù)載的隨機(jī)性，會(huì)嚴(yán)重影響公共聯(lián)接點(diǎn)(point of common coupling，PCC)的電能質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定。

鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(battery energy storage system，BESS)作為可控電源，可實(shí)現(xiàn)“儲(chǔ)能－電網(wǎng)”之間的能量互動(dòng)，使新能源并網(wǎng)發(fā)電接入更趨穩(wěn)定，有利于保障“‘源’－‘網(wǎng)’－‘荷’－‘儲(chǔ)’”系統(tǒng)功率實(shí)時(shí)平衡。BESS不僅可存儲(chǔ)剩余電能，應(yīng)對(duì)電網(wǎng)失電等突發(fā)事件，還能配合調(diào)度系統(tǒng)，起到“削峰填谷”的作用。以BESS為基礎(chǔ)的電力控制、調(diào)節(jié)與分配，可實(shí)現(xiàn)能源合理高效地利用［2－4］。

一般地，BESS的控制設(shè)計(jì)有如下需求:充電時(shí)直流側(cè)電壓、電流波動(dòng)小，沖擊小;放電時(shí)交流側(cè)并網(wǎng)電流正弦度高，諧波含量低。且在充放電過程中，BESS需具備較強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力。

目前BESS的控制系統(tǒng)大多基于傳統(tǒng)PI控制，難以滿足上述需求［5－6］。文獻(xiàn)［5］提出了基于 PI控制器的儲(chǔ)能系統(tǒng)直流側(cè)電壓控制，雖穩(wěn)態(tài)時(shí)直流電壓波動(dòng)較小，但出現(xiàn)了超調(diào)現(xiàn)象，有較大沖擊;文獻(xiàn)［6］提出采用雙環(huán)PI控制策略實(shí)現(xiàn)電池充放電，但并網(wǎng)電流電能質(zhì)量較差。究其本質(zhì)，主要是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有非線性、時(shí)變、耦合的特征，基于線性化的PI控制，難以實(shí)現(xiàn)良好的控制效果。在現(xiàn)有關(guān)于BESS控制研究中，很少有文獻(xiàn)考慮電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的上述特征，尤其是系統(tǒng)等效參數(shù)發(fā)生變化或外界存在不確定干擾時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)如何設(shè)計(jì)，更鮮有提及。理論上，BESS控制屬于一類典型的非線性魯棒控制問題。主要的解決途徑有兩類，一是將其轉(zhuǎn)化為HJI(hamilton－jacobi－issacs)不等式求解，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的抑制［7］;二是采用基于受控能量函數(shù)的方法，通過設(shè)計(jì)控制器使得系統(tǒng)能量函數(shù)在不確定性條件下的導(dǎo)數(shù)為負(fù)來實(shí)現(xiàn)控制性能的魯棒性［8］。然而，這兩條途徑一般需要受控對(duì)象較為準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)模型，且較難考慮時(shí)變因素的影響。

自抗擾控制(active disturbance rejection control，ADRC)技術(shù)是一種針對(duì)非線性、時(shí)變、耦合和不確定系統(tǒng)的魯棒控制方法［9］。基于ADRC技術(shù)的控制器具有超調(diào)小、收斂速度快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)和算法簡單等優(yōu)點(diǎn)。正因如此，ADRC已在電能質(zhì)量、光伏并網(wǎng)發(fā)電以及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域中得到應(yīng)用［10－13］。文獻(xiàn)［10 －11］分別將自抗擾控制引入動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器和靜止無功發(fā)生器，解決了動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢和穩(wěn)態(tài)誤差大的問題，提高了系統(tǒng)電能質(zhì)量;文獻(xiàn)［12］針對(duì)光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，將自抗擾控制器應(yīng)用到光伏三相并網(wǎng)發(fā)電中，提高了并網(wǎng)點(diǎn)電流波形質(zhì)量，減小了對(duì)電網(wǎng)的沖擊;文獻(xiàn)［13］研究了大型風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速自抗擾控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)速變化時(shí)的最大功率點(diǎn)快速跟蹤，提高了風(fēng)能的捕獲效率。

本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，綜合考慮BESS具有數(shù)學(xué)模型難以精確獲得且在實(shí)際應(yīng)用中存在不確定干擾等固有屬性，基于自抗擾控制技術(shù)，提出了一種不依賴于BESS系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型，且能提高BESS控制性能的綜合控制策略。

論文首先介紹了ADRC基本思想和設(shè)計(jì)原則，然后建立BESS數(shù)學(xué)模型，并針對(duì)其模型特點(diǎn)進(jìn)行自抗擾控制器設(shè)計(jì)，提出了BESS的綜合控制策略;最后在不同擾動(dòng)場景下，比較了傳統(tǒng)PI控制和自抗擾控制的性能，驗(yàn)證了所提方案的正確性和有效性。

1 ADRC基本原理

ADRC汲取了經(jīng)典PID控制和現(xiàn)代控制理論的優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)PID控制進(jìn)行了改進(jìn)。ADRC是一種基于量測的建模，其核心思想是將系統(tǒng)模型的不確定性(內(nèi)部擾動(dòng))和其他不確定性(外部擾動(dòng))一起作為“總擾動(dòng)”，通過構(gòu)造“擴(kuò)張狀態(tài)觀測器”對(duì)“總擾動(dòng)”進(jìn)行估計(jì)并實(shí)時(shí)補(bǔ)償［9，14－16］。

對(duì)于n階非線性系統(tǒng)，有其中:f(y，y'，…，y(n－1)，t)為系統(tǒng)函數(shù)，可表征模型的不確定性;w(t)為系統(tǒng)其它不確定擾動(dòng);u為控制項(xiàng)，b為控制量增益。

ADRC的基本框架如圖1所示。

圖1 自抗擾控制的基本框架Fig.1 Diagram of ADRC

圖1中，n階跟蹤微分器(tracking differentiator，TD)給出了參考輸入v的各階導(dǎo)數(shù)跟蹤信號(hào)e1，e2，…，en。n+1階擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(extended state observer，ESO)估計(jì)出對(duì)象的各階狀態(tài)變量 z1，z2，…，zn和對(duì)象總擾動(dòng)的實(shí)時(shí)作用量zn+1。非線性狀態(tài)誤差反饋(non-linear state error feedback，NLSEF)利用TD輸出和ESO輸出的誤差輸出被控對(duì)象所需的控制量，并對(duì)擾動(dòng)量進(jìn)行補(bǔ)償。

ADRC實(shí)現(xiàn)過程如下:

1)跟蹤微分器

該微分器用于實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)輸入信號(hào)的快速無超調(diào)跟蹤，同時(shí)能給出良好的微分信號(hào)，其表達(dá)式為

其中:e為誤差信號(hào);α為可調(diào)參數(shù);δ為濾波因子，表示fal(e，α，δ)函數(shù)的線性段長度。

2)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器

該觀測器可對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)和擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì)并加以補(bǔ)償，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性其表達(dá)式為

3)非線性狀態(tài)誤差反饋

ADRC采用非線性反饋控制代替線性加權(quán)組合的PID控制，能夠獲得更好的控制性能，其表達(dá)式為

4)參數(shù)選定規(guī)則

ADRC參數(shù)調(diào)整方法一般分為2步:一是把TD、ESO和NLSEF看成獨(dú)立的3個(gè)部分，分步整定;二是結(jié)合NLSEF對(duì)ADRC進(jìn)行整體參數(shù)協(xié)調(diào)整定。依照上述原則整定參數(shù)后的ADRC，可保證具有較強(qiáng)的魯棒性［9，15］。

2 BESS建模及ADRC控制器設(shè)計(jì)

2.1 BESS數(shù)學(xué)建模

BESS主要包括鋰電池(battery)和并網(wǎng)變換器(power conversion system，PCS)兩部分:其中，前者提供能量，后者傳遞能量。圖2為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Diagram of li-battery energy storage system

圖 2 中，udc、idc分別為直流側(cè)電壓、電流;ia、ib、ic表示變流器輸出側(cè)三相電流，iga、igb、igc為三相并網(wǎng)電流，ua、ub、uc及 ea、eb、ec分別為 PCS 輸出側(cè)三相電壓和變壓器低壓側(cè)三相電壓;LT、C0分別表示變壓器等效電感以及直流側(cè)支撐電容;L1、C1、R1分別表示交流濾波器的電感、電容和阻尼電阻。R為電感等效電阻，K為變壓器高壓側(cè)與低壓側(cè)額定電壓之比。

若忽略阻尼電阻以及IGBT開閉等損耗，并假設(shè)隔離變壓器具有理想特性，則可將其等效為電感。

定義開關(guān)脈沖函數(shù)sk為

式中，k=a、b、c。PCS 正常工作時(shí)，上、下橋臂有且僅有一個(gè)開關(guān)開通。

根據(jù)圖2，在dq0坐標(biāo)系下，采用等量變換，在忽略PCS橋路自身損耗并假設(shè)PCS交流側(cè)功率與橋路直流側(cè)功率相平衡的前提下，則可建立BESS的數(shù)學(xué)模型為

其中:L=LT+L1;ed、id、sd和 eq、iq、sq分別表示 d 軸、q軸的交流電網(wǎng)電壓、變流器輸出電流和開關(guān)函數(shù)。ω為交流電網(wǎng)的角頻率。

從BESS的數(shù)學(xué)模型可以看出，在dq0坐標(biāo)系下采用電流直接控制的BESS是一個(gè)典型的開關(guān)非線性、時(shí)變、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，且系統(tǒng)等效電感參數(shù)L難以精確測量，如此則給BESS控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。

(a)Minimize dispraise of other(b)Maximize praise of other

2.2 BESS的ADRC控制器一般設(shè)計(jì)方法

為提高BESS控制性能，結(jié)合其數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)ADRC控制器如下:

1)模型規(guī)范化

為便于設(shè)計(jì)，首先將式(7)表示的BESS數(shù)學(xué)模型按照式(1)進(jìn)行規(guī)范化處理為

由式(8)可知，受控系統(tǒng)為一階系統(tǒng)，故可采用一階自抗擾控制器。從dq0坐標(biāo)系下的BESS數(shù)學(xué)模型可以看出，d軸和q軸方程存在對(duì)偶關(guān)系，故以下僅以交流側(cè)d軸下的自抗擾控制器設(shè)計(jì)為例(即式(8)中的第一個(gè)表達(dá)式)，進(jìn)行說明。

2)TD設(shè)計(jì)

針對(duì)一階系統(tǒng)，采用一階微分跟蹤器，控制規(guī)律為

式中，r0，α0，δ0均為待定可調(diào)參數(shù)。

3)ESO設(shè)計(jì)

式中，α1，δ1，β1，β2等都是待調(diào)參數(shù)。

4)NLSFE設(shè)計(jì)

NLSEF將廣義誤差e1作為輸入，并考慮系統(tǒng)擾動(dòng)補(bǔ)償，控制方程為

式中:r2，α2，δ2等都是待調(diào)參數(shù);ud是最終控制變量。

3 BESS充放電的雙閉環(huán)ADRC控制方案

BESS的核心功能是實(shí)現(xiàn)能量雙向傳遞，本質(zhì)是整流充電和逆變放電。為實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)恒壓、恒流充電和指定功率放電的功能，且提高其在電網(wǎng)電壓波動(dòng)、參考值突變以及系統(tǒng)參數(shù)改變等情況下的抗擾動(dòng)能力，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，設(shè)計(jì)了BESS雙閉環(huán)自抗擾控制策略，控制框圖如圖3所示。

圖3 BESS控制框圖Fig.3 Diagram of BESS control

圖3控制框圖中，主要包含電氣量量測、坐標(biāo)變換以及外環(huán)和內(nèi)環(huán)控制器等環(huán)節(jié)。其中，外環(huán)和內(nèi)環(huán)控制器均是采用自抗擾技術(shù)設(shè)計(jì)，具體介紹如3.1～3.2節(jié)所述。

3.1 外環(huán)ADRC控制器

外環(huán)控制器主要用于實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，并產(chǎn)生內(nèi)環(huán)控制所需參考信號(hào)。外環(huán)控制器如圖4所示。

圖4 BESS外環(huán)控制器Fig.4 Outer-loop controller of BESS

圖4中，電池充電時(shí)，采用恒流或者恒壓方式，將設(shè)定值與實(shí)際值的偏差通過ADRC控制器產(chǎn)生控制信號(hào)idref，iqref，使其能夠快速響應(yīng)參考值突變以及量測值擾動(dòng)等情況，從而準(zhǔn)確地跟蹤參考電流或電壓。放電時(shí)，為簡化控制環(huán)節(jié)，采用基于瞬時(shí)功率理論的功率解耦控制，直接獲取作用于內(nèi)環(huán)的參考信號(hào)。

3.2 內(nèi)環(huán)ADRC控制器

內(nèi)環(huán)控制器主要進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，用于提高BESS輸出的電能質(zhì)量和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，其控制框圖如圖5所示。

圖5 BESS的內(nèi)環(huán)控制器Fig.5 Inner-loop controller of BESS

圖5中，內(nèi)環(huán)控制器采用基于ADRC的前饋解耦控制，即將三相瞬時(shí)電流iabc經(jīng)Park變換后的dq軸分量id，iq分別與外環(huán)控制器輸出的“參考信號(hào)”idref，iqref比較得到的誤差作為ADRC控制器輸入，然后通過電壓前饋補(bǔ)償和交叉耦合補(bǔ)償，輸出電壓控制信號(hào)vd與vq。

基于ADRC設(shè)計(jì)的內(nèi)環(huán)控制器，可減小電壓、電流采樣誤差(擾動(dòng))、電網(wǎng)電壓突變以及系統(tǒng)電感參數(shù)不精確等對(duì)系統(tǒng)控制的影響，有效地提高控制效果。

4 仿真分析

為驗(yàn)證本文所提方法的正確性和可行性，采用PSCAD/EMTDC軟件搭建BESS仿真平臺(tái)，并對(duì)比分析采用ADRC和傳統(tǒng)PI控制的控制性能。表1給出了BESS仿真分析相關(guān)參數(shù)。

表1 BESS仿真分析相關(guān)參數(shù)Table 1 Relative parameters of BESS

此外，ADRC控制器參數(shù)均整定為:r0=5 000，α0=0.55，α1=0.4，β1=8 100，β2=12 000，α2=0.6，r2=450，δ1=δ2= δ3=0.001。傳統(tǒng) PI控制外環(huán)控制器參數(shù)為:KP1=2，KI1=500;內(nèi)環(huán)控制器參數(shù)為:KP2=1，KI2=2 500。

根據(jù)BESS控制性能要求，分別采用ADRC和傳統(tǒng)PI控制對(duì)各種工況下的充電、放電模式進(jìn)行仿真，以檢驗(yàn)BESS的穩(wěn)態(tài)性能以及其抵抗外界擾動(dòng)的能力。

4.1 BESS充電

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電過程主要考慮恒壓充電和恒流充電兩種運(yùn)行模式。

4.1.1 恒壓充電

工況1:設(shè)定充電電壓為550 V;在0.1 s時(shí)刻，假設(shè)電網(wǎng)電壓下降至0.9 pu，持續(xù)時(shí)間20 ms。此時(shí)，采用恒壓充電策略的直流側(cè)電壓波形如圖6所示。

圖6 電網(wǎng)電壓暫降時(shí)直流側(cè)電壓波形Fig.6 DC Voltage wave under grid voltage sag

圖6可以看出，在控制啟動(dòng)至達(dá)到穩(wěn)定階段，ADRC需15 ms，PI控制需50 ms;擾動(dòng)發(fā)生后，ADRC經(jīng)過約20 ms就恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，且電壓跌落量小;PI控制電壓跌落大，且需要約50 ms才能恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，控制器跟隨性能較差。

工況2:在0～0.1 s，設(shè)定充電電壓為550 V;0.1～0.2 s，設(shè)定充電電壓為530 V。此時(shí)，直流側(cè)電壓波形如圖7所示。

圖7 充電電壓給定突降時(shí)直流側(cè)電壓波形Fig.7 DC voltage wave with down-step change of DC voltage reference

圖7表明，當(dāng)充電電壓參考值突降時(shí)，ADRC可以很快響應(yīng)此擾動(dòng)，直流側(cè)電壓平滑地降低至新設(shè)定的參考電壓(“軟著陸”過程);而PI控制則經(jīng)歷了一個(gè)“超量下降”過程:電壓跌落至參考電壓之下，之后再升至參設(shè)定值。

工況3:在0～0.2 s，設(shè)定充電電壓為530 V;將模型中電感參數(shù)由實(shí)際值0.4 mH改為0.65 mH，以模擬實(shí)際運(yùn)行中可能存在的參數(shù)攝動(dòng)對(duì)控制的影響。如此，兩種控制方法下的直流側(cè)電壓波形如圖8所示。

圖8 電感值變化后直流側(cè)電壓波形(0.65 mH)Fig.8 DC voltage wave with a changed inductance value(0.65 mH)

圖8反映了系統(tǒng)電感參數(shù)發(fā)生變化后，傳統(tǒng)PI控制出現(xiàn)了超調(diào)和周期性衰減的過程，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間約100 ms，相比圖7中0.1～0.2 s階段，控制效果變差;而采用ADRC雖然也出現(xiàn)了電壓波動(dòng)現(xiàn)象，但波動(dòng)較小，且很快就恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)(約40 ms)，說明ADRC具有較強(qiáng)的參數(shù)適應(yīng)能力。

4.1.2 恒流充電

工況1:設(shè)定充電電流為20 A;在0.1時(shí)刻，假設(shè)電網(wǎng)電壓升高至1.1 pu，持續(xù)時(shí)間20 ms。此時(shí)，直流側(cè)電流波形如圖9所示。

圖9 電網(wǎng)電壓暫升時(shí)直流側(cè)電流波形Fig.9 DC current wave under grid voltage swell

從圖9可以看出，恒流充電穩(wěn)態(tài)時(shí)，ADRC響應(yīng)速度明顯快于PI控制，且直流電流抖動(dòng)小。當(dāng)外界發(fā)生擾動(dòng)后，ADRC雖也經(jīng)歷了一個(gè)調(diào)整適應(yīng)的過程，但25 ms以內(nèi)就恢復(fù)正常;而PI控制遇到擾動(dòng)后，出現(xiàn)了超調(diào)和周期性波動(dòng)現(xiàn)象，50 ms后才恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。

工況2:在0～0.1 s，設(shè)定充電電流為10 A;0.1～0.2 s，設(shè)定充電電流為20 A。結(jié)果如圖10所示。

圖10 充電電流給定突增時(shí)直流側(cè)電流波形Fig.10 DC current wave with up-step change of DC current reference

圖10為給定充電電流突增時(shí)的直流電流波形。在給定值突變時(shí)刻，ADRC能迅速感知并軟啟動(dòng)至新設(shè)的參考值(約10 ms);而PI控制未能承受參考值突變的擾動(dòng)，控制量先下調(diào)后再“緩慢”升至參考值(約50 ms)。

從圖6～圖10的分析可知，充電情況下，ADRC相對(duì)傳統(tǒng)PI控制，對(duì)于直流側(cè)電壓/電流的控制性能更為優(yōu)越，主要體現(xiàn)在:

1)響應(yīng)速度快，超調(diào)量小;

2)穩(wěn)態(tài)時(shí)，電壓或電流的波動(dòng)小;

3)抵抗外界擾動(dòng)的能力強(qiáng)。

4.2 BESS放電

BESS放電主要體現(xiàn)其與電網(wǎng)的功率交互，故采用指定功率的放電模式。

仿真工況:在0～0.1 s，設(shè)定有功放電功率為15 kW;在0.1～0.2 s，有功放電功率設(shè)為35 kW。無功功率均設(shè)為0。規(guī)定電流從BESS流向電網(wǎng)為正方向。為方便對(duì)比，特將圖11中PI控制獲得的功率曲線向上平移3個(gè)單位，如圖11所示。

圖11 放電功率給定突變時(shí)功率曲線Fig.11 Power cure with step change of power reference

圖11表明，采用PI控制，穩(wěn)態(tài)時(shí)的功率波動(dòng)較大，出現(xiàn)較多尖峰和毛刺;當(dāng)給定功率值突變時(shí)，PI控制雖能快速響應(yīng)，卻出現(xiàn)較大沖擊，存在“超調(diào)”和“響應(yīng)”的矛盾。而ADRC不存在上述問題，超調(diào)小、響應(yīng)快，功率曲線波動(dòng)小。

圖12～圖13分別展示了上述工況放電時(shí)，PI控制和自抗擾控制得到的A相交流側(cè)電壓、電流波形。

圖12 放電功率給定突變時(shí)交流側(cè)A相電壓/電流波形－PI控制Fig.12 AC voltage and current wave with step change of power reference-PI control

圖13 放電功率給定突變時(shí)交流側(cè)A相電壓/電流波形－ADRCFig.13 AC voltage and current wave with step change of power reference-ADRC

分析圖12、圖13可知，放電情況下:PI控制時(shí)，交流側(cè)電流存在較多紋波和畸變(尤其在給定值變化時(shí)刻附近);而自抗擾控制得到的交流電流波形更加平滑，諧波含量更少。

5 結(jié)論

鑒于自抗擾控制技術(shù)具有良好的控制性能，本文在建立電池儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了其雙閉環(huán)自抗擾充放電控制策略。PSCAD/EMTDC仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)PI控制相比，采用本文控制方案主要具有如下優(yōu)勢(shì):

1)自抗擾控制技術(shù)很好地解決了鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在非線性、時(shí)變、耦合特性以及不確定干擾下的控制設(shè)計(jì)問題，所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)自抗擾控制器具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

2)當(dāng)受到外界擾動(dòng)時(shí)(如電網(wǎng)電壓波動(dòng)、參數(shù)設(shè)定值突變、系統(tǒng)參數(shù)改變等)，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在雙閉環(huán)自抗擾控制下仍能保持良好的控制性能，具有較好的魯棒性。

值得說明的是，本文提出的BESS自抗擾控制策略主要適用于電壓對(duì)稱情況。對(duì)于三相電壓不平衡及故障條件下的BESS控制研究，將是今后的工作重點(diǎn)。

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(編輯:劉琳琳)

Double-closed-loop active disturbance rejection control design for the charging/discharging of lithium-battery energy storage system

ZHENG Tian-wen1， LIU Feng1， XIAO Xian-yong2， ZHOU Ye-ru3， MEI Sheng-wei1
(1.State Key Lab of Power System，Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China;
2.School of Electrical and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China;3.Xuancheng Power Supply Company，Xuancheng 242000，China)

Lithium-battery energy storage system(BESS)is characterized by nonlinearity，time varying and strong coupling，greatly challenging the control system design，especially when model inaccuracy and external disturbances are taken account in.Suggests designing the charging/discharging control of BESS based on the active disturbance rejection control(ADRC)technique.First，establishing the ADRC model of BESS;Then，proposing the general methodology of ADRC design for BESS;At last，providing a double-closed-loop ADRC control strategy for the charging and discharging of BESS.And comparing the performances of the conventional PI control and the proposed ADRC control by carrying simulations on PSCAD/EMTDC platform.Simulation results manifest that the proposed double-closed-loop ADRC control endows BESS better dynamic performance and stronger ability to attenuate disturbances under different conditions，such as variation of charging voltage，charging current or system parameters.

lithium-battery energy storage system(BESS);charging/discharging control;active disturbance rejective control(ADRC);uncertain disturbances

TM 73，TM 91

A

1007－449X(2013)11－0020－08

2013－03－20

國家電網(wǎng)公司重點(diǎn)科技項(xiàng)目(5212G0120005);國家自然科學(xué)基金(51007041);國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)(2012AA050204)

鄭天文(1987—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電系統(tǒng)及其控制技術(shù);

劉 鋒(1977—)，男，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定和控制;

肖先勇(1968—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量、智能電網(wǎng)的教學(xué)和研究工作;

周業(yè)如(1956—)，男，高級(jí)工程師，宣城供電公司信息中心主任，研究方向?yàn)殡娏νㄓ嵓夹g(shù);

梅生偉(1964—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)非線性控制、復(fù)雜系統(tǒng)理論和應(yīng)用。

梅生偉