曹浪恒，鄭峰，林祥群，楊威

(1.廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣州 510663； 2.福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116； 3.武漢大學(xué) 電氣與自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430072)

0 引 言

隨著大規(guī)模間隙性、隨機(jī)性分布式電源并入電網(wǎng)系統(tǒng)，儲(chǔ)能裝置在應(yīng)對電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、功率波動(dòng)抑制以及分布式電源利用效能提升等方面的作用越發(fā)凸顯，特別是當(dāng)其作為微電網(wǎng)主控單元時(shí)，可快速平衡孤島微電網(wǎng)供電需求，維持其電壓、頻率穩(wěn)定運(yùn)行。因此，儲(chǔ)能單元控制技術(shù)優(yōu)劣可在一定程度上決定微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并、解列過渡過程的暫態(tài)性能[1-3]。

目前，儲(chǔ)能作為主控單元主要利用自適應(yīng)鎖相環(huán)(PLL)、預(yù)同步以及虛擬同步電機(jī)等方法，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)時(shí)微電網(wǎng)電壓與頻率的快速穩(wěn)定、內(nèi)部能量供給平衡[4-8]。然而，在微電網(wǎng)并解列暫態(tài)過程中，若主控儲(chǔ)能單元采用上述控制策略，不可避免的需要引入電網(wǎng)電壓電流等外部信號，如果這些信號中存在著不良的擾動(dòng)量，則并網(wǎng)逆變器的暫態(tài)性能也會(huì)遭到破壞。因此，為提高微電網(wǎng)并解列過渡過程的暫態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)與孤島之間的無縫切換，需要研究相應(yīng)策略來避免不良擾動(dòng)量對儲(chǔ)能單元控制層產(chǎn)生的危害。為消除有害擾動(dòng)量對控制系統(tǒng)的影響，文獻(xiàn)[9]通過在控制器中引入電壓前饋項(xiàng)來消除外部有害擾動(dòng)量對控制系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)[10]通過在微網(wǎng)控制系統(tǒng)中引入慣性環(huán)節(jié)來減小有害擾動(dòng)量的影響，但是同時(shí)也降低了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。文獻(xiàn)[11]搭建出微網(wǎng)逆變器孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，利用基于Radau配置的算法求出控制變量的最優(yōu)控制軌跡。但是整個(gè)求解過程過于繁瑣，實(shí)現(xiàn)難度較大。文獻(xiàn)[12]為提高微電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性能，引入了內(nèi)?？刂品ǎ欢Ｊ角袚Q對微電網(wǎng)的控制層的影響沒有得到完全解決。文獻(xiàn)[13]利用直流環(huán)節(jié)電壓作為反饋的控制回路，在非計(jì)劃性故障下保證微電網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運(yùn)行的可靠性。文獻(xiàn)[14]提出了一種適用于儲(chǔ)能逆變器的廣義控制算法，利用廣義控制結(jié)構(gòu)避免了切換過程中的暫態(tài)振蕩并且消除了有害擾動(dòng)對控制系統(tǒng)的影響。但控制系統(tǒng)中的純積分環(huán)節(jié)會(huì)放大諧波分量，并且多PI控制器也會(huì)降低控制系統(tǒng)的整體魯棒性能。因此，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好的控制器來消除有害擾動(dòng)量對控制系統(tǒng)的影響，確保儲(chǔ)能電壓、頻率等電氣量對控制系統(tǒng)參考值的快速跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)在并/孤島之間的無縫切換就顯得十分必要。

為解決上述方法所含缺陷，文中提出一種計(jì)及儲(chǔ)能并網(wǎng)逆變器的混合算法控制策略。該策略在LCL濾波器完全解耦的基礎(chǔ)上，首次利用二自由度原理、電流預(yù)測控制模型構(gòu)建逆變器控制層，實(shí)現(xiàn)控制層傳遞函數(shù)的單位化，使得控制層結(jié)構(gòu)在微電網(wǎng)不同運(yùn)行模式下保持一致，消除有害擾動(dòng)量對控制系統(tǒng)的影響，避免運(yùn)行模式切換過程中的暫態(tài)振蕩。針對應(yīng)用層設(shè)計(jì)，引入頻率、電壓作為反饋量改進(jìn)傳統(tǒng)下垂控制，保持孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓、頻率的穩(wěn)定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)運(yùn)行模式的無縫切換。

1 儲(chǔ)能并網(wǎng)逆變器傳統(tǒng)控制策略

接口逆變器控制系統(tǒng)可分為：應(yīng)用層、控制層、硬件層[14]。儲(chǔ)能單元的傳統(tǒng)控制層的控制模式可分為電壓源、電流源控制[15-19]，其控制框圖如圖1所示，則電流源雙環(huán)控制傳遞函數(shù)為：

圖1 電流與電壓雙閉環(huán)控制框圖

(1)

電壓源雙環(huán)控制傳遞函數(shù)為：

(2)

圖2 傳統(tǒng)控制策略硬切換仿真結(jié)果

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制層設(shè)計(jì)

為了消除微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換過程中的沖擊電流與母線畸變電壓，基于儲(chǔ)能并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)，并融合電流預(yù)測模型與二自由度原理，設(shè)計(jì)出一種適用于微電網(wǎng)不同運(yùn)行模式下儲(chǔ)能并網(wǎng)逆變器控制層共享結(jié)構(gòu)，消除傳統(tǒng)電流源與電壓源模型下控制層的差異。將原有LCL濾波器分成LC、L兩部分。其中，控制層主要結(jié)合LC部分進(jìn)行控制。

2.1 電流預(yù)測模型控制

圖3為儲(chǔ)能并網(wǎng)逆變器LC部分的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖3 并網(wǎng)逆變器LC部分

根據(jù)并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，則其輸出電壓為[21]：

uin=Udc(Ta+gTb+g2Tc)

(3)

(4)

式中K=a，b，c。在αβ系下，逆變器Lin濾波器部分輸出電流暫態(tài)關(guān)系可表示為：

(5)

式中iinα/β為逆變器輸出電流；uinα/β為逆變器輸出電壓；ucα/β為逆變器Lin濾波器后輸出電壓。

模型預(yù)測主要是在每個(gè)周期中利用逆變器Lin濾波器輸出電流暫態(tài)關(guān)系方程，構(gòu)建系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并且評估、融合當(dāng)前時(shí)刻逆變器開關(guān)組合與上一時(shí)刻的狀態(tài)信息，對未來時(shí)刻逆變器輸出結(jié)果的預(yù)測作用。假定Ts為逆變器控制系統(tǒng)的采樣周期，并對式(5)在(tk，tk+1)時(shí)間范圍內(nèi)離散化：

(6)

表1給出23種開關(guān)狀態(tài)(G1～G8)對應(yīng)于不同23種uα/β輸出值。

表1 開關(guān)狀態(tài)與逆變器輸出電壓uα、uβ關(guān)系

若將k時(shí)刻此23種開關(guān)狀態(tài)量代入式(5)，可求得并網(wǎng)逆變器輸出對應(yīng)的23個(gè)電壓矢量，再將23個(gè)電壓矢量代入式(6)，則可分別求取(k+1)時(shí)刻對應(yīng)的23個(gè)并網(wǎng)逆變器輸出電流值。若此時(shí)構(gòu)建逆變器并網(wǎng)電流預(yù)測模型價(jià)值函數(shù)c：

(7)

2.2 預(yù)測模型失配穩(wěn)定性分析

由于預(yù)測模型在參數(shù)設(shè)定時(shí)，與實(shí)際設(shè)備存在一定誤差，若預(yù)測模型控制的電流誤差收斂于[22]：

(8)

則認(rèn)為所提算法的閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。式中，e、φ、ε分別為預(yù)測電流誤差、量化誤差矢量的上界、反電勢矢量的估計(jì)誤差。由于一般情況下RinTs/Lin?1，則式(8)可簡化為：

(9)

令逆變器側(cè)電感值為Lin_real，根據(jù)式(6)、式(9)，則k+1時(shí)刻逆變器輸出電流的誤差可定義為：

(10)

當(dāng)Lin

(11)

依據(jù)式(10)、式(11)可知，電流誤差呈現(xiàn)衰減趨勢，且隨著時(shí)間增大，電流誤差最終將收斂到下面的封閉集合內(nèi)：

(12)

從式(9)、式(12)可以看出，當(dāng)Lin

(13)

由式(13)可知，電流誤差持續(xù)衰減，最終收斂于集合：

(14)

因此，在Lin_freal

2.3 二自由度控制原理

圖4為輸入前饋型二自由度控制系統(tǒng)的原理[23]。

圖4 二自由度控制系統(tǒng)

根據(jù)圖4可知，輸入與輸出、輸入與誤差間傳遞函數(shù)為：

(15)

式中R(s)/Y(s)、C(s)、D(s)、P(s)、G(s)、E(s)分別是系統(tǒng)輸入/輸出、PI控制器、擾動(dòng)信號、被控對象、前饋控制器、參考信號與系統(tǒng)實(shí)際輸出信號間的誤差。根據(jù)式(15)可知，通過G(s)可提高系統(tǒng)跟蹤控制精度與動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度；將E(s)引入反饋，則調(diào)節(jié)反饋控制器可以減小系統(tǒng)誤差，保證系統(tǒng)的魯棒性。若G(s)=[P(s)]-1，則：

(16)

此時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)Y(s) 完全跟蹤R(s)，并且能夠消除控制器的帶寬限制，同時(shí)還可通過調(diào)節(jié)C(s)來減小擾動(dòng)信號D(s)對系統(tǒng)輸出的影響。

2.4 二自由度模型失配分析

(17)

由式(17)可知，當(dāng)濾波器電容逆模型失配時(shí)，擾動(dòng)項(xiàng)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)位于左半平面，閉環(huán)系統(tǒng)的是穩(wěn)定的?？紤]到不同失配程度下擾動(dòng)項(xiàng)的對系統(tǒng)的影響可能會(huì)不一樣，根據(jù)式(17)繪制擾動(dòng)項(xiàng)ic的幅值曲線。由圖5可知，擾動(dòng)項(xiàng)的增益呈現(xiàn)出衰減特性，幅值均在-15 dB以下。因此，控制系統(tǒng)在參量C失配時(shí)變化不大。同理，在濾波器電容電阻失配時(shí)，輸入輸出的傳遞函數(shù)為：

(18)

由式(18)可繪制擾動(dòng)項(xiàng)的幅值曲線，如圖6所示，擾動(dòng)項(xiàng)的幅值低于-100 dB。

圖6 參量RC不同失配程度下擾動(dòng)項(xiàng)幅值曲線

由圖5和圖6可知，濾波器電容和電阻的兩種參量失配模型所對應(yīng)擾動(dòng)項(xiàng)在全頻帶范圍內(nèi)都呈現(xiàn)出衰減特性，因此模型失配對控制系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生影響。

2.5 控制層混合算法實(shí)現(xiàn)

圖7為儲(chǔ)能系統(tǒng)控制層混合算法結(jié)構(gòu)框圖。

圖7 控制層混合算法結(jié)構(gòu)框圖

從圖7可知，該算法主要包含兩部分：電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)。其中，電壓外環(huán)主要基于二自由度PI控制系統(tǒng)，電流內(nèi)環(huán)為電流預(yù)測模型系統(tǒng)。由于電流內(nèi)環(huán)采用電流預(yù)測模型控制，則其傳遞函數(shù)可等效為：

(19)

(20)

圖8 LC型逆變器及控制層混合算法控制框圖

(21)

式中ku_p、ku_I分別為電壓外環(huán)反饋控制器比例、積分增益。因此，通過上述設(shè)計(jì)的混合型算法，可使參考電壓uc_ref與輸出電壓uc傳遞函數(shù)為1，消除輸入與輸出信號的帶寬限制，實(shí)現(xiàn)其動(dòng)態(tài)性能最優(yōu)。

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用層設(shè)計(jì)

本節(jié)在原有LC控制部分基礎(chǔ)上加入儲(chǔ)能單元PQ與Vf控制的解耦阻抗(Rg+ jLg)，使儲(chǔ)能單元控制層能在微電網(wǎng)不同運(yùn)行模式下作為共享層，而應(yīng)對微電網(wǎng)運(yùn)行模式不同時(shí)，只需調(diào)整儲(chǔ)能單元應(yīng)用層的控制目標(biāo)即可。

圖9給出儲(chǔ)能單元基于混合型算法的PQ控制框圖。

從圖9可知，當(dāng)微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能單元為PQ控制模式，其控制層輸入?yún)⒖茧妷簽椋?/p>

圖9 并網(wǎng)模式下混合算法PQ控制框圖

(22)

由于引入了up，所以電網(wǎng)電壓與控制層中的up形成對消，二者的對消使得up中所含有害擾動(dòng)量不對對系統(tǒng)造成影響。

若微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能單元采用傳統(tǒng)下垂控制。其中，頻率f與有功功率P、電壓U與無功功率Q的下垂關(guān)系為：

(23)

式中P0、Q0、f0、U0分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出的有功、無功、系統(tǒng)頻率、交流母線電壓。KP、KQ分別為P-f、Q-V下垂系數(shù)。但傳統(tǒng)下垂控制為有差調(diào)節(jié)，面對系統(tǒng)負(fù)荷突增或突降時(shí)，頻率、電壓的偏移量將增大，不滿足精密負(fù)荷對電能質(zhì)量需求。因此，本小節(jié)將通過儲(chǔ)能單元應(yīng)用層引入微電網(wǎng)系統(tǒng)角頻率及其電壓，作為前饋補(bǔ)償項(xiàng)，將其轉(zhuǎn)為無差控制方式，則：

(24)

圖10 改進(jìn)下垂控制器結(jié)構(gòu)

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提控制方法的有效性，分別針對微電網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)、孤網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)兩種運(yùn)行模式切換的工作場景展開探討?；贛atlab/Simulink搭建如圖11所示的微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型，對所提基于儲(chǔ)能并網(wǎng)逆變器混合型算法的微電網(wǎng)無縫切換控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，表2為仿真系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。

圖11 微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表2 系統(tǒng)模型的主要仿真參數(shù)

4.1 并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島模式無縫切換

假設(shè)開關(guān)S1在1 s時(shí)斷開，微電網(wǎng)由并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島。假設(shè)在微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換過程中，網(wǎng)內(nèi)DGs輸出功率、網(wǎng)內(nèi)負(fù)載保持不變。圖12與圖13給出微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換過程的瞬態(tài)特性曲線圖。根據(jù)圖12、圖13，微電網(wǎng)未進(jìn)行運(yùn)行模式時(shí)，儲(chǔ)能單元的控制采用的是P/Q控制模式控制A-I點(diǎn)輸出有功、無功功率。假定DGs在t=0.5 s時(shí)輸出有功功率突然由400 kW降至100 kW，DGs輸出無功功率由0 kvar增至100 kvar，但此時(shí)A-I點(diǎn)的輸出功率未發(fā)生變化(P=400 kW;Q=50 kvar)，如圖12所示。在t=1 s時(shí)，微電網(wǎng)從并網(wǎng)模式切換到孤島模式，儲(chǔ)能單元采用改進(jìn)的下垂控制方式，保持微電網(wǎng)電壓、頻率的穩(wěn)定。A-I點(diǎn)輸出功率迅速轉(zhuǎn)化為P=500 kW，Q=0 kvar，為負(fù)荷4供電，如圖12(b)所示。

圖12 微電網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運(yùn)行時(shí)變化曲線

從圖12(a)可以看出，在切換過程中，微電網(wǎng)頻率波動(dòng)很小，其最大波動(dòng)范圍不超過0.5 Hz。微電網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行模式后，其頻率偏差Δf，也小于0.1 Hz。因此，微電網(wǎng)頻率在運(yùn)行模式切換過程中的暫態(tài)性能可以滿足運(yùn)行要求。此外，在微電網(wǎng)模式切換中交流母線電壓的幅值和相位的轉(zhuǎn)換也很平穩(wěn)。其電壓偏差小于7%UN，滿足系統(tǒng)的平滑切換要求，如圖12(b)所示。從圖12(c)可以看出，當(dāng)微電網(wǎng)的運(yùn)行方式從并網(wǎng)模式切換到孤島模式時(shí)，儲(chǔ)能單元無過流現(xiàn)象且其過渡電流較為平穩(wěn)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證儲(chǔ)能單元抗干擾特性，基于修改后的下垂控制模式，假設(shè)在t= 1.2 s時(shí)，DGs的輸出有功/無功功率分別從100 kW/100 kvar突然變至400 kW/0 kvar，通過儲(chǔ)能單元的快速響應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的功率平衡、電壓和頻率穩(wěn)定控制，并且電壓、頻率波動(dòng)均可控制在允許范圍內(nèi)。

4.2 孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)模式無縫切換

在t=1.5 s時(shí)，開關(guān)S1關(guān)閉，即微電網(wǎng)從孤島模式切換到并網(wǎng)模式。然后將儲(chǔ)能單元的控制模式從改進(jìn)型下垂模式轉(zhuǎn)換為PQ控制模式。圖13給出微網(wǎng)從孤島模式轉(zhuǎn)到并網(wǎng)模式時(shí)的輸出特性曲線。此時(shí)，A-I點(diǎn)的輸出有功、無功功率分別重新變?yōu)镻=400 kW,Q=50 kvar，如圖13(a)所示。從圖13(b)可知，微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換過程中的良好的魯棒性以及快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征，且未出現(xiàn)微電網(wǎng)母線電壓的幅值與相位跳變現(xiàn)象，交流母線電壓實(shí)現(xiàn)無縫過渡，電壓偏差遠(yuǎn)小于7%UN。并且避免了并網(wǎng)電流的畸變，如圖13(c)所示。從圖13(d)，微電網(wǎng)并網(wǎng)開關(guān)開斷過程中，峰值頻率偏移Δf也小于0.5 Hz。因此，儲(chǔ)能單元采用本文所提混合控制策略，可以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)兩種運(yùn)行模式間的無縫切換。

圖13 微電網(wǎng)孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)變化曲線

4.3 故障切換暫態(tài)分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證儲(chǔ)能在系統(tǒng)產(chǎn)生大擾動(dòng)時(shí)的暫態(tài)穩(wěn)定特性，假設(shè)在t=0.6 s處，F(xiàn)1處發(fā)生三相對地故障，此時(shí)PCC電壓降至50%EN，考慮到故障檢測時(shí)間，3LG的持續(xù)時(shí)間為0.4 s，然后在t=1 s斷開S1進(jìn)行清除。因此，儲(chǔ)能的控制方式由P/Q轉(zhuǎn)換為V/f控制方式。圖14為微網(wǎng)非計(jì)劃運(yùn)行方式切換過程中微網(wǎng)暫態(tài)特性曲線。從圖14(a)、圖14(b)可以看出，在排除系統(tǒng)故障時(shí)，采用所提出的方法將微網(wǎng)運(yùn)行方式切換為孤島運(yùn)行方式，沒有出現(xiàn)微網(wǎng)母線電壓畸變。故障排除后，母線電壓迅速進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。然而，傳統(tǒng)的控制方法使微電網(wǎng)母線電壓畸變嚴(yán)重，動(dòng)態(tài)過程較長。從圖14(c)、圖14(d)可以看出，所提出的控制方法將ES的輸出峰值電流抑制在1.95 kA，明顯小于傳統(tǒng)控制方法的峰值電流9.8 kA。為了進(jìn)一步說明該方法的優(yōu)點(diǎn)，圖15給出了定量估計(jì)微電網(wǎng)電壓、電流和頻率波動(dòng)可以減少多少的誤差條。從圖15中可以看出，該方法具有較好的性能。

圖14 微電網(wǎng)暫態(tài)曲線

圖15 微電網(wǎng)電壓、電流性能比較

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換中所存在的過流、電壓畸變等問題，文中提出了一種計(jì)及儲(chǔ)能混合控制算法的微電網(wǎng)無縫切換控制策略。通過理論分析與仿真驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

(1)該策略通過利用二自由度原理及電流預(yù)測模型控制，統(tǒng)一、單位化儲(chǔ)能系統(tǒng)控制層傳遞函數(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)電壓、電流引入量所含有害擾動(dòng)量的動(dòng)態(tài)全補(bǔ)償，且有效抑制了運(yùn)行模式切換過程中暫態(tài)電流沖擊及母線電壓畸變率；

(2)通過以微網(wǎng)電壓、頻率作為補(bǔ)償項(xiàng)來改進(jìn)傳統(tǒng)下垂控制，從而使微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)電壓、頻率無差調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)在不同運(yùn)行模式之間的無縫切換，并且提高微電網(wǎng)故障情況下運(yùn)行模式切換的暫態(tài)性能。