何海平

(國網(wǎng)安徽省電力公司滁州供電公司，安徽 滁州 239000)

基于模糊PI控制的電池儲能系統(tǒng)低電壓穿越控制策略

何海平

(國網(wǎng)安徽省電力公司滁州供電公司，安徽 滁州 239000)

電網(wǎng)導(dǎo)則要求并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓在一定范圍內(nèi)瞬間跌落時不脫網(wǎng)運(yùn)行。為滿足這一要求，提出了一種基于電池儲能的低電壓穿越控制策略。該方法通過PQ解耦PI控制策略，調(diào)節(jié)交流側(cè)輸出的幅值和相位，以提供滿足系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的無功功率，使系統(tǒng)具有低電壓穿越能力。并針對傳統(tǒng)PI控制動態(tài)響應(yīng)差等特點，采用模糊PI控制，結(jié)果表明模糊PI控制較傳統(tǒng)PI控制響應(yīng)快、跟蹤誤差小，并能使系統(tǒng)在故障發(fā)生后更快地恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。

風(fēng)電場；電池儲能系統(tǒng)；低電壓穿越；模糊PI控制

0 引言

由于風(fēng)電具有節(jié)約電力系統(tǒng)運(yùn)行成本、無污染等優(yōu)點，近年來在許多國家得到了快速發(fā)展。隨著大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)，風(fēng)電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障情況下的運(yùn)行變得尤為重要，電網(wǎng)導(dǎo)則要求風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓跌落期間應(yīng)具備低電壓穿越能力。

目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越問題已成為國內(nèi)外研究熱點，實現(xiàn)低電壓穿越主要有2種方法：一種是改進(jìn)變流器的控制策略；另一種是通過增加硬件控制電路來實現(xiàn)。文獻(xiàn)[1]建立了計及定子繞組動態(tài)過程的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(doubly fed induction generator, DFIG)的精確數(shù)學(xué)模型，在改進(jìn)的矢量控制策略的基礎(chǔ)上進(jìn)行了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越仿真研究。文獻(xiàn)[2]從限制電網(wǎng)故障時的定子工頻過電流的角度出發(fā)，有效限制了由定子工頻過電流分量引起的轉(zhuǎn)子電流交流分量，實現(xiàn)了故障時避免轉(zhuǎn)子出現(xiàn)過電流的目的。從軟件方面來實現(xiàn)低電壓穿越只適用于電壓小幅跌落情況，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障情況下，單靠改進(jìn)變流器控制策略的方法很難實現(xiàn)低電壓穿越，必須增加硬件控制電路。文獻(xiàn)[3]從機(jī)組安全約束和系統(tǒng)區(qū)域電壓穩(wěn)定角度出發(fā)，探討了DFIG的撬棒(crowbar)保護(hù)電阻取值和投切控制策略。而作為硬件控制電路之一的儲能系統(tǒng)通過控制電壓跌落期間的變流器直流側(cè)電壓，將故障期間多余的能量儲存起來以彌補(bǔ)故障結(jié)束時的能量不足，從而維持直流電壓的穩(wěn)定，但該系統(tǒng)無法有效控制轉(zhuǎn)子電流，并且對變流器絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)額定容量也帶來嚴(yán)重考驗[4-5]。

作為可靈活調(diào)節(jié)的電池儲能系統(tǒng)既能平滑風(fēng)電功率輸出，又能有效提高風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力。目前對電池儲能系統(tǒng)的研究主要包括平滑控制、調(diào)峰以及容量配置方面[6-7]，隨著電池儲能系統(tǒng)在風(fēng)電場中的廣泛應(yīng)用，與之相關(guān)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越的研究還未涉及到。本文提出基于一種基于電池儲能的低電壓穿越控制策略，并針對傳統(tǒng)PI控制動態(tài)響應(yīng)差等特點，提出模糊PI控制策略。

1 電池儲能系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

電池儲能系統(tǒng)主要由鋰電池系統(tǒng)、DC/DC雙向斬波電路、AC/DC雙向變流器、控制裝置和變壓器組成。圖1為電池儲能系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)圖。

圖1 電池儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of battery energy storage system

DC/DC雙向斬波電路、AC/DC雙向變流器結(jié)構(gòu)均由IGBT自關(guān)斷能力較強(qiáng)的全控型器件組成，這種器件可以快速有效地保證電池儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)故障時持續(xù)為電網(wǎng)提供無功功率以支持并網(wǎng)點電壓，當(dāng)故障切除后，該系統(tǒng)能繼續(xù)維持正常運(yùn)行。

圖1中，AC/DC變流器可實現(xiàn)交流系統(tǒng)與鋰電池系統(tǒng)之間能量的雙向流動。其中，R、L為變壓器等效電阻、電感；C為直流側(cè)的平波電容；Usa、Usb、Usc為公共連接點(point of common coupling, PCC)的三相相電壓；Ua、Ub、Uc為AC/DC變流器輸出端的三相相電壓；ia、ib、ic為AC/DC變流器輸出端的三相線電流；Udc為直流側(cè)平波電容兩端電壓；Rs、Us為電池的等效電阻和端電壓；Idc為電池輸出端電流。

2 基于電池儲能的低電壓穿越控制策略

電池儲能系統(tǒng)具有動態(tài)吸收能量并適時釋放的特點，能有效彌補(bǔ)風(fēng)電的間歇性、波動性缺點，改善風(fēng)電場輸出功率的可控性。此外，電池儲能系統(tǒng)的合理配置還能有效增強(qiáng)風(fēng)電場的低電壓穿越功能?，F(xiàn)有的關(guān)于低電壓穿越控制方法，多是通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變流器控制完成，而沒有提出電池儲能系統(tǒng)來改善低電壓穿越控制方法。

目前，三產(chǎn)融合尚處于探索階段，很多地方還處于一二三產(chǎn)業(yè)簡單共存狀態(tài)，即一部分農(nóng)民在從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的同時，也讓家里人開著農(nóng)家樂，但是卻各干各的，沒有實現(xiàn)真正融合。換句話說，就是不論單一的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還是以農(nóng)家樂為主的農(nóng)村觀光旅游，都還沒有真正發(fā)揮農(nóng)業(yè)的應(yīng)有功能。所以，三產(chǎn)融合必須深入持久地進(jìn)行下去。

AC/DC變流器采用能量雙向流動的四象限運(yùn)行的電壓源型逆變器，通過PQ解耦PI控制策略，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)交流側(cè)輸出的幅值和相位，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足系統(tǒng)需求的有功和無功電流，最終實現(xiàn)交流系統(tǒng)與鋰電池系統(tǒng)之間能量的雙向流動。當(dāng)系統(tǒng)電壓不穩(wěn)時，電池儲能系統(tǒng)根據(jù)并網(wǎng)點電壓的變化情況動態(tài)地控制無功功率輸出，提供滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的無功電流，這會對故障期間電網(wǎng)電壓恢復(fù)起到一定的支撐作用，從而實現(xiàn)低電壓穿越能力。

由圖1電路結(jié)構(gòu)并采用dq0變換，得到dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下(d軸與交流系統(tǒng)電壓矢量重合，q軸超前d軸90°)交流側(cè)的電流：

(1)

式中：ωs為電池儲能系統(tǒng)角頻率，id、iq、Ud、Uq、Usd、Usq分別為ia、ib、ic、Ua、Ub、Uc、Usa、Usb、Usc的dq分量。直流側(cè)電流為

(2)

(3)

由文獻(xiàn)[8]可知，當(dāng)三相橋式逆變器工作于脈寬調(diào)制(pulse width modulation, PWM)方式時，AC/DC變流器輸出電壓表示為

(4)

式中：A為占空比；α為變流器交流側(cè)電壓相位角。

靜態(tài)時，鋰電池和變流器之間不進(jìn)行有功功率的交換，由(3)線性化得到：

(5)

(6)

圖2 基于電池儲能的低電壓穿越控制策略Fig.2 Control strategy of low voltage ride through based on battery energy storage

(7)

式中：idref=Pref/U，Pref為電池輸出有功參考值，U為AC/DC變流器交流側(cè)電壓有效值；k1、k2為PI控制器中比例積分參數(shù)。iqref為無功控制量，其反映的是電池儲能系統(tǒng)向系統(tǒng)傳輸或者吸收的無功功率，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)電壓不穩(wěn)，此時電池儲能系統(tǒng)根據(jù)并網(wǎng)點電壓(Upcc)變化情況動態(tài)地控制無功輸出情況，即控制并網(wǎng)點電壓跟蹤在PCC點電壓初始設(shè)定值Uref，進(jìn)而通過控制交流側(cè)輸出幅值和相位，提供滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的無功電流以滿足系統(tǒng)低電壓穿越控制要求。其控制框圖如圖2所示。

為了控制方便，本文采用基于調(diào)制波與三角載波信號比較的PWM方法。用上述PQ參考值作為輸入控制參考量，通過PI控制器得到正弦調(diào)制波的幅值和相位，即確定正弦調(diào)制信號，再用三角載波信號與之相比得到了AC/DC變流器控制開關(guān)信號，該調(diào)制波的頻率ω與電池儲能系統(tǒng)角頻率ωs相等。該P(yáng)I控制器采用的是傳統(tǒng)的PI控制器，由于其參數(shù)固定，在控制系統(tǒng)整個運(yùn)行范圍內(nèi)遇有參數(shù)變化或擾動時會導(dǎo)致動態(tài)性能下降。

3 傳統(tǒng)PI控制器改進(jìn)

基于電池儲能的低電壓穿越控制系統(tǒng)中采用了傳統(tǒng)PI控制，使得PQ控制參考量響應(yīng)慢，動態(tài)性能差等特點。本文將模糊控制增加到傳統(tǒng)PI控制中，通過仿真說明電池儲能系統(tǒng)在提高系統(tǒng)低電壓穿越能力方面的不足。

模糊控制是由模糊集合、模糊語言變量和模糊規(guī)則推理為基礎(chǔ)的智能控制方法。模糊PI控制器是由模糊控制器不斷檢測誤差e及其變化率ec，根據(jù)e和ec的大小和模糊邏輯推理，修正PI控制器參數(shù)Kp、Ki，從而具有一定的參數(shù)在線調(diào)整能力，使被控對象具有良好的動、靜態(tài)性能。

圖3 模糊PI控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Architecture of fuzzy PI control system

應(yīng)用于電池儲能系統(tǒng)低電壓穿越控制中的模糊PI控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。下面以電壓調(diào)節(jié)為例說明該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)PCC點電壓受到擾動時，這時必然會產(chǎn)生誤差e，經(jīng)過模糊控制器產(chǎn)生PI參數(shù)調(diào)節(jié)增量ΔKp、ΔKi，PI調(diào)節(jié)器參數(shù)增量ΔKp、ΔKi由模糊控制器計算出，并根據(jù)式(7)整定PI參數(shù)輸出值。模糊控制器輸入及輸出均采用三角形隸屬函數(shù)[8]，建立模糊規(guī)則。通過該層PI控制器電池發(fā)出無功電流以提供滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的無功功率。同樣有功電流idref和無功電流iqref也類似增加模糊控制。

(7)

4 仿真分析

為了驗證所提出控制策略正確性和有效性，本文在PSCAD軟件中進(jìn)行了仿真研究，仿真系統(tǒng)如圖2所示，主要參數(shù)如下：輸入風(fēng)速為某風(fēng)場冬季48 h實際風(fēng)速，DFIG風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率2 MW，取電池額定容量為500 A·h，額定電壓為0.625 kV，兩級變壓器之間的線路等值阻抗Z1=0.1 Ω，變壓器T2至電網(wǎng)的傳輸線路Z2等效阻抗為(1.62+j3.16) Ω，等值系統(tǒng)采用100 MVA的單機(jī)系統(tǒng)。

4.1 基于電池儲能的低電壓穿越控制策略

4.1.1 傳統(tǒng)PI控制器

基于第2節(jié)控制策略，通過改變有功電流參考值idref和無功電流參考值iqref來分析電池儲能系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)并研究和驗證基于電池儲能的低電壓穿越控制策略有效性。

圖4 有功、無功電流動態(tài)響應(yīng)Fig.4 Dynamic response of active and reactive current

電池儲能系統(tǒng)控制有功、無功電流初始參考值分別0.8、-0.2 kA，在1 s時刻突變?yōu)?.3、0.3 kA，而后又在2 s時刻變?yōu)?0.3、0.8 kA。圖4表明該模型的功率控制響應(yīng)良好，且控制跟蹤誤差較小，基本達(dá)到控制要求。當(dāng)有功電流大于0時，通過變流器控制使電池儲能系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送有功功率，相當(dāng)于儲能系統(tǒng)放電；當(dāng)有功電流小于0時，此時通過變流器控制使電網(wǎng)向電池儲能系統(tǒng)傳送功率，相當(dāng)于對儲能系統(tǒng)充電；圖4中無功電流在1 s前為-0.2 kA，說明此時電網(wǎng)從儲能系統(tǒng)吸收無功功率。圖中，1 s時刻，有功、無功電流突變，其響應(yīng)時間為0.1 s；2 s時刻，電池儲能系統(tǒng)有功電流參考值變?yōu)?0.3 kA，同時釋放無功功率，而此時變流器控制響應(yīng)時間約為0.15 s，響應(yīng)時間較長。

4.1.2 低電壓穿越的仿真分析

在圖2所示系統(tǒng)中，設(shè)母線B處發(fā)生三相對稱短路，故障持續(xù)時間0.5 s，故障跌落深度為30%。圖5(a)為公共連接點電壓標(biāo)幺值(Upcc)；圖5(b)為雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子A相電流標(biāo)幺值(isa、ira)；圖6(c)為增加電池儲能(battery energy storage station, BESS)控制系統(tǒng)下電池儲能系統(tǒng)給電網(wǎng)輸送無功功率。電網(wǎng)故障時，風(fēng)電場在沒有BESS控制時，PCC點電壓迅速跌落至0.7 pu，由此造成DFIG定轉(zhuǎn)子電流增大，給變流器帶來很大沖擊；當(dāng)增加BESS控制系統(tǒng)時，電池儲能系統(tǒng)馬上響應(yīng)補(bǔ)償無功以支撐公共連接點電壓穩(wěn)定，如圖6(a)(c)所示，由于系統(tǒng)電壓恢復(fù)，DFIG定轉(zhuǎn)子電流也作出反應(yīng)被控制在期望的范圍內(nèi)，定子電流上升幅度低于2倍額定值，轉(zhuǎn)子電流基本控制在初始值，如圖6(b)所示。增加BESS控制系統(tǒng)使得系統(tǒng)能及時回復(fù)至初始值，風(fēng)電場實現(xiàn)了低電壓穿越，系統(tǒng)恢復(fù)了穩(wěn)定。

4.2 模糊PI控制在電池儲能系統(tǒng)低電壓穿越控制中的應(yīng)用

圖5 無BESS下PCC點電壓、DFIG定轉(zhuǎn)子的動態(tài)響應(yīng)Fig.5 Dynamic response of DFIG stator and rotor and PCC voltage without BESS

圖6 有BESS下PCC點電壓、DFIG定轉(zhuǎn)子的動態(tài)響應(yīng)Fig.6 Dynamic response of DFIG stator and rotor and PCC voltage with BESS

將模糊控制加入到傳統(tǒng)PI控制中，以形成如圖3所示的模糊PI控制器，將PSCAD與Matlab/Simulink互聯(lián)，并與傳統(tǒng)PI控制方法進(jìn)行比較分析。

實現(xiàn)電池儲能系統(tǒng)有效安全平穩(wěn)并網(wǎng)前提是AC/DC雙向變流器系統(tǒng)控制智能，即被控制量能迅速平穩(wěn)控制在范圍內(nèi)，誤差小、超調(diào)量小。本文選定電池儲能系統(tǒng)被控制量有功功率和無功功率與參考值之間的誤差作為衡量電池儲能控制系統(tǒng)優(yōu)劣的指標(biāo)，并基此研究電池儲能系統(tǒng)改善系統(tǒng)低電壓穿越功能。

4.2.1 PI控制器的改進(jìn)

在4.1.2節(jié)基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)PI控制與模糊PI控制下，改變有功電流參考值idref和無功電流參考值iqref來分析電池儲能系統(tǒng)有功、無功電流跟蹤情況。圖7為傳統(tǒng)PI控制、模糊PI控制下有功、無功電流跟蹤參考值的動態(tài)響應(yīng)曲線。由圖7(b)可知，1 s、2 s時刻，有功、無功電流突變，與圖4相比響應(yīng)時間縮短。

從圖7可以看出，傳統(tǒng)PI控制基本滿足并網(wǎng)控制要求，跟蹤誤差小響應(yīng)時間長。模糊PI控制動態(tài)響應(yīng)較為迅速，較之傳統(tǒng)PI控制能更快地達(dá)到并網(wǎng)要求；并且有功、無功電流跟蹤響應(yīng)時間均縮短，且超調(diào)量較小，控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)PI控制。

4.2.2 低電壓穿越效果改進(jìn)

相同的故障類型下，研究電池儲能系統(tǒng)改善風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越功能，在上述2種PI控制器下，電池儲能系統(tǒng)改善系統(tǒng)低電壓穿越情況，以及分析雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子電流響應(yīng)情況。

電網(wǎng)故障時由于機(jī)端電壓跌落導(dǎo)致DFIG定轉(zhuǎn)子電流上升，由此可能引起變流器故障，給風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行帶來危險。當(dāng)增加低電壓穿越控制策略之后，機(jī)端電壓能在故障發(fā)生和恢復(fù)短時內(nèi)恢復(fù)至初始值并穩(wěn)定運(yùn)行，由于電池儲能系統(tǒng)馬上響應(yīng)機(jī)端故障補(bǔ)償無功以支撐公共連接點電壓穩(wěn)定(見圖6(a)(c))，圖8為2種控制器下并網(wǎng)點電壓與參考電壓誤差圖，該誤差可用Ue=|Upcc-Uref|表示。由圖8可以看出，模糊PI控制較傳統(tǒng)PI控制能使系統(tǒng)在故障發(fā)生和恢復(fù)能更快地回復(fù)至初始值并穩(wěn)定運(yùn)行，并且故障發(fā)生和恢復(fù)時的波動尖峰減小，此時DFIG定轉(zhuǎn)子電流也被控制在預(yù)期范圍內(nèi)，如圖9所示。

圖7 有功、無功電流動態(tài)響應(yīng)Fig.7 Dynamic response of active and reactive current

圖8 2種控制器下并網(wǎng)點電壓及電壓誤差Fig.8 Voltage error of network through these two controllers

圖9 DFIG定轉(zhuǎn)子A相電流Fig.9 A phase current of DFIG stator and rotor

5 結(jié)論

(1) 增加儲能系統(tǒng)能明顯改善風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越能力，并能有效降低系統(tǒng)故障給雙饋風(fēng)機(jī)定轉(zhuǎn)子電流帶來的沖擊。

(2) 模糊PI控制較傳統(tǒng)PI控制動態(tài)響應(yīng)快，其控制響應(yīng)時間縮短近一半，超調(diào)量減小。

(3) 在改善低電壓穿越效果時，模糊PI控制較傳統(tǒng)PI控制，能使系統(tǒng)在故障發(fā)生和恢復(fù)能更快地回復(fù)至初始值并穩(wěn)定運(yùn)行，并且故障發(fā)生和恢復(fù)時的波動尖峰減小。

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LowVoltageRideThroughControlStrategyofBatteryEnergyStorageSystemBasedonFuzzyPIControl

HE Haiping

(Chuzhou Power Supply Company of State Grid Anhui Electric Power Co., Ltd., Chuzhou 239000, Anhui Province, China)

Grid requirements and guidelines for wind turbine does not run off-grid when grid voltage falls within a certain range instantly. To meet this requirement, this paper propose a low voltage ride through control strategy based on battery energy storage. This method decouples PI control strategy through PQ, and appropriately adjusts the amplitude and phase of the AC output side to provide reactive power to meet the system voltage stability, which makes the system has low voltage ride through capability. According to the poor dynamic response characteristics of traditional PI control, this paper uses fuzzy PI control. The results show that compared with traditional PI control, fuzzy PI control has fast response, small tracking error and can enable the system to resume stable operation more quickly after failure.

wind farm; battery energy storage system; low voltage ride through; fuzzy PI control

TK 02；TM 71

A

2096-2185(2017)06-0059-07

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.06.010

何海平

何海平(1986—)男，碩士，工程師，主要研究方向為儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)方面的應(yīng)用。

2017-09-25

(編輯 蔣毅恒)