SMES/BESS储能变流器在微电网中的控制策略研究

储能系统在微电网的运行控制中起到了重要的作用,研究了超导磁储能和蓄电池储能系统的储能变流器在微电网中的控制策略。基于比例积分(proportional-integral,PI)控制的储能变流器已广泛应用于微电网中,以实现双向的功率传输。然而,由于储能变流器具有高度的非线性和耦合性,PI控制器无法实现令人满意的鲁棒性。因此提出了一种基于互联和阻尼配置方法的能量成型控制策略,用于改善微电网中混合储能系统储能变流器的鲁棒性。具体设计过程包括3个步骤：端口受控哈密尔顿模型的建立、期望平衡点的设定和能量匹配方程的求解。最后,为验证所提出方法的正确性和有效性,建立了微电网模型进行并网、孤岛运行的仿真。仿真结果表明,所提出的HESS储能变流器的能量成型控制策略在微电网各运行状态下均能有效维持微电网稳定运行,并较传统的PI控制有更强的鲁棒性。

0 引言

微电网的出现促进了分布式能源的发展,其中储能装置是微电网中不可或缺的重要部分[1-2]。

混合储能技术不仅弥补了单一储能无法满足电力系统多个方面需求的缺陷,还有效延长了储能装置的使用寿命。因此,兼具高功率密度和高能量密度的混合储能系统(hybrid energy storage system,HESS)成为了目前相关研究的热点[3-6]。HESS通常连接在新能源的并网点,所以其储能变流器的输出特性必须满足电网的高电能质量要求[7]。在现有研究中鲜有控制策略可以有效地解决储能变流器输出的电能质量问题。因此,先进的控制策略成为了微电网中HESS稳定、高效运行的关键。

超导磁储能(superconducting magnetic energy storage,SMES)和蓄电池储能系统(battery energy storage system,BESS)的并网变流器在运行过程中具有多变量、非线性以及强耦合的特点,其控制性能会对系统的稳定性产生较大的影响[8]。储能变流器常见的控制策略有比例积分(proportional-integral, PI)控制[9]、直接功率控制[10]、模糊控制[11]、神经网络控制[12]以及反步法控制[13]等方法。采用传统PI控制时,需整定的参数较多,且存在较大的超调量和调整时间,不易实现理想的控制效果[9];直接功率控制中,零矢量的选择可能会造成无功功率出现短时失控的情况,所以其开关表的建立还需要进一步的研究[14];模糊控制的鲁棒性较强,但在建立模糊规则时仍然缺乏系统的方法,且稳态精度较低[15];神经网络控制具有较强的容错性,但存在收敛速度慢、计算量大,目标函数容易陷入局部最小值的缺点[16];反步法的鲁棒性较差且计算量很大[17]。

上述这些线性控制、非线性控制策略都没有考虑受控系统的内外部互联结构,无法直观地揭示能量流动的规律。

能量成型(energy shaping,ES)控制考虑了受控系统的内外部互联结构,利用期望的能量函数和阻尼注入来实现系统的稳定。Romeo Ortega和Arjan van der Schaft首先提出了基于互联和阻尼配置的ES控制方法[18-20],保留了状态调制控制法中无需引入Casimir函数的优势,为能量成型提供了极大便利。目前,有学者在Z源逆变器[21]、双馈风机[22]、静止无功补偿器[23]等领域研究了相应基于端口受控哈密尔顿(port-controlled Hamiltonian,PCH)模型的ES控制,验证了ES控制具有提高受控系统输出特性的能力。由于储能变流器无法独立产生能量,是典型的无源系统,所以满足ES控制的应用条件。因此将这种基于非线性系统本质的控制策略应用到微电网HESS的储能变流器中,用于改善系统的输出特性及鲁棒性具有现实的研究意义。

本文主要研究了SMES/BESS储能变流器在微电网中的控制策略。首先,分别建立了SMES和BESS的PCH模型,为ES控制提供了理论依据;其次,针对储能变流器运行中存在的非线性特性,提出了基于PCH原理的ES内环控制策略,并基于此设计了微电网中储能变流器的控制策略。然后,根据李雅普诺夫第二法分析了控制器的稳定性。最后通过仿真验证了本文提出的控制策略在微电网各个运行状态下的有效性。

1 系统结构及分析

本文将针对主从结构的微电网展开研究。当微电网处于孤岛运行时,由于BESS具有高能量密度的特性,因此作为微电网的主电源,其储能变流器通过U/f控制提供频率和电压支撑,以实现微电网中的供需平衡[1]。当微电网处于并网状态时,系统电压和频率均由电网支撑,SMES和BESS的储能变流器均采用P/Q控制,以实现微电网中可再生能源的可靠并网[2]。图1给出了本文所研究的微电网拓扑结构。

图1 微电网的结构示意图

图2和图3分别给出了SMES和BESS的拓扑结构。各储能装置的变流器均采用传统电压源型变流器(voltage source converter,VSC)的拓扑结构。

图2 SMES变流器的拓扑结构

图3 BESS变流器的拓扑结构

2 HESS的PCH模型

PCH模型的建立是ES控制设计的基础,所以本节中将重点分析SMES和BESS储能变流器的PCH模型建立过程。考虑实际系统的耗散性,PCH的一般性模型可以写为

2.1 SMES的PCH模型

由于2个无源系统级联仍然是无源系统,所以本节将SMES储能变流器分为交流侧VSC和直流侧斩波器两部分进行PCH建模。

2.1.1 SMES交流侧的PCH模型

SMES交流侧VSC在dq坐标系下的数学模型可以表示为

需要注意的是,内外部端口互联矩阵中包含了关于Sd、Sq的开关函数,符合实际系统与外界能量交互是取决于开关管开断的客观事实。

2.1.2 SMES直流侧的PCH模型

通过引入斩波器开关管S1、S2的占空比D,可以得到斩波器的数学模型为

2.2 BESS的PCH模型

BESS储能变流器在dq坐标系下的数学模型可以表示为

式中：Eg表示蓄电池端电压;Rb表示蓄电池的内阻值;L1、R1分别表示BESS交流侧的滤波电感值及其直流电阻值;C1表示BESS直流侧的电容值;Udc1表示BESS直流侧的电容电压;ib表示流经蓄电池的电流;iD、iQ表示BESS储能变流器在交流侧d、q轴上的电流;SD、SQ表示BESS储能变流器在d、q轴上的开关函数。

设定BESS的能量函数为

BESS储能变流器的开关函数SD、SQ存在于内部结构矩阵中,而并非通过输入变量进行控制,说明BESS内部的能量转换结构会根据开关函数的变化而变化。

3 微网中储能变流器的控制策略

3.1 外环控制策略

当微电网并网运行时,各储能装置的并网变流器均运行在P/Q控制模式;当微电网孤岛运行时,BESS作为主电源其储能变流器采用U/f控制,建立微电网的电压和频率参考,负荷功率变化由主电源跟随,以实现微电网的稳定运行。P/Q或U/f的外环控制均是为内环控制提供电流的参考指令。

3.1.1 P/Q外环控制

引入计算模块,通过下式将有功、无功功率指令转换为有功、无功电流指令：

式中：id*、iq*分别是变流器的有功、无功电流参考值;P*、Q*分别为电网的有功、无功功率参考指令。Ugd、Ugq分别为d轴、q轴的电网电压。

3.1.2 U/f外环控制

当微电网处于孤岛运行方式时,主电源BESS的储能变流器由P/Q控制切换至U/f控制。U/f控制需要额外考虑微电网中频率和母线电压的稳定,具体的控制框图如图4所示。其中,式(14)中的Ugd、Ugq的物理意义需分别修正为d轴、q轴的母线电压。

图4 U/f外环控制原理

U/f外环中的PI参数设计不当会导致控制器的调节时间短但超调较大或幅值变化缓慢但调节时间长两种情况。因此,PI参数选择在一定程度上影响微电网运行的稳定性,本文中取Kp=1.2,Ki=4。

微电网的频率偏差是由负载和发电单元之间的不平衡功率造成的。在微电网孤岛运行时,其功率平衡方程可以写为

式中：H表示微电网等效的惯性常数,与系统的转动惯量、额定转速以及容量有关;fN表示系统的额定频率;ΔP表示微电网中存在的功率缺额。

在不考虑主电源的情况下,将式(16)进一步展开,可以得到

通过式(19)可知,在引入BESS储能变流器及其外环U/f控制后,微电网的阻尼系数进一步增加。当微电网出现频率偏差Δf时,控制器根据有功和频率的线性关系调整系统的有功出力。因为微电网的阻尼系数有所增大,所以频率偏差Δf可以进一步减小。综上,通过BESS储能变流器的外环U/f控制,可以更有效地维持微电网的安全稳定运行。

为了实现微电网运行模式的无缝切换,需要锁定切换瞬间的相位角。在微电网并网运行时,控制策略中的相位都是取自电网的相位θgrid;在微电网由并网转孤岛运行的时刻,为了避免电压和频率发生跳变,这时控制策略中的相位应取自微电网切换前的相位角θref,并根据额定运行频率fref进行变化。具体的相位控制如图5所示。

图5 相位控制策略

3.2 内环控制策略

受控系统的动态方程可以表示为

它们分别表示系统期望的内部结构矩阵、耗散矩阵、能量函数。而Ja(x)、Ra(x)表示注入能量后,系统产生的新的能量转换结构和耗散结构。Ha(x)为系统通过控制注入的能量。

控制变量u可以通过下面表示的能量匹配方程求解：

3.2.1 SMES内环控制

3.2.2 BESS内环控制

4 算例仿真

为验证本文所提出的微电网中SMES/BESS储能变流器的ES控制的正确性和有效性,利用MATLAB/Simulink搭建了如图1所示的微电网仿真模型。微电网的具体参数详见表1。

表1 微电网的仿真参数

仿真算例1：为了验证ES控制在改善储能变流器动态响应性能方面的有效性,本算例中施加了一系列阶跃变化的功率指令,即在0 s,1 s,2 s,3 s时刻给SMES施加0 MW,-1 MW,-0.5 MW,0.5 MW的功率指令,并与常见的PI控制及反步法控制进行了对比。

图6中分别给出了ES控制、PI控制以及反步法控制时SMES响应的有功功率波形。由于BESS的控制效果类似,不再给出。从图6中可以看出,SMES的储能变流器在ES控制的作用下有效地跟踪了给定的功率指令,较PI控制大幅缩减了超调量及调整时间。

图6 SMES变流器输出的有功功率

图7给出了储能变流器在阶跃时间点放大的功率响应功率波形。图中可以看出,与其它常见的控制算法相比,ES控制具有更小的超调量和调整时间。此外,由于本算例中设置无功功率参考为零,进行的是单位功率因数的控制,通过观察无功功率的波形可以发现,ES控制可以有效地实现有功功率和无功功率之间相互独立的控制。因此,在微电网并网状态下,储能变流器采用本文提出的ES内环控制可以获得更好的动态响应能力。

图7 SMES变流器输出功率对比

图8给出了SMES的储能变流器基于PI闭环控制和ES控制下的A相电压、电流的波形。

图8 变流器交流侧电压电流波形

图9给出了SMES的储能变流器交流侧电流在充放电状态时的谐波幅值占基波幅值的百分比。

图9 输出电流的谐波分析

取SMES在2~3 s的充电过程进行分析,基于PI控制和ES控制的SMES的A相相电流的总谐波

失真(total harmonic distortion,THD)分别为4.84%、2.52%。图中可以看出采用ES控制时储能变流器输出电流的THD较采用PI控制的情况有所下降,说明本文提出ES内环控制可以有效地改善储能变流器的输出性能,使储能变流器能够输出高电能质量的电流。

图10为PI控制以及ES控制下SMES的直流侧电压波形。图中可以看出,ES控制可以无超调地快速跟踪储能变流器直流侧电压的参考指令值,提高了储能装置运行的稳定性。

图10 直流侧电压的波形

综上,本文提出的内环ES控制策略将SMES储能变流器的交直流侧通过内外部互联结构作为一个整体来考虑,一定程度上降低了控制器的复杂度,提高了系统的动态响应性能,并有效克服了传统内环PI控制中参数难以整定的不足。

仿真算例2：为了验证微电网在离网和并网时刻的稳定性,以及模拟微电网孤岛运行时储能装置在面对大负荷投切时的情况,假设微电网在0~3 s运行在并网状态,3 s时刻微电网离网,并分别在4 s,4.5 s,5 s,5.5 s时刻进行负荷2的投切,6 s时刻微电网再次并网。微电网孤岛运行时主电源BESS的储能变流器采用U/f外环控制。

图11给出了主电源BESS分别采用内环PI控制和ES控制时微电网中母线电压有效值和频率的波形。图中可以看出,在微电网投切负荷期间,内环PI控制存在一定的调整时间,影响了储能装置的补偿效果。而内环ES控制克服了传统内环PI控制中超调量与调整时间的矛盾,只在补偿瞬间产生正负峰值,有效缩短了控制器的调整时间,使主电源快速精准地对母线电压和频率偏差进行了补偿,且有效改善了母线频率在微电网孤岛运行期间的高频波动。

图11 微电网的母线电压有效值和频率波形

表2和表3进一步给出了微电网运行模式切换以及投切负荷两种情形下电压、频率偏差的数据。

表2 微电网模式切换的结果分析

表3 投切负荷的结果分析

从表中可以看出,内环PI控制和ES控制下的受控指标均在允许的范围内[26],其中内环ES控制将母线电压波动控制在了±0.03 pu(213.4~226.6 V)的范围内,频率最大偏差在±0.12 Hz范围内,有效削弱了模式切换过程和投切负荷行为对微电网造成的冲击,并较PI控制具有更好的鲁棒性。

综上,通过该仿真算例验证了本文提出的储能变流器内环ES控制在微电网离、并网状态切换,以及孤岛运行状态下投切大负荷情况中的有效性。

5 结论

本文对微电网中SMES/BESS储能变流器的新型控制策略进行了详细的研究,得出了以下结论：

1)针对SMES/BESS储能变流器运行过程中存在的非线性特性,本文基于PCH原理设计了ES内环控制策略,较传统PI控制具有更好的鲁棒性,且降低了参数整定的难度;同时,还有效地降低了储能变流器交流侧电流的总谐波失真,为提高储能变流器的输出特性和动态响应性能提供了新的研究思路。

2)本文提出的SMES/BESS储能变流器的ES内环控制实现了微电网在并网运行、孤岛运行时良好的控制效果,并且切换过程相对稳定,有效地提高了微电网运行的可靠性。

3)下一步的工作是研制SMES/BESS混合储能系统的实验样机,并围绕无源控制参数对提升系统鲁棒性的定量分析展开。

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