基于混合儲能的微電網控制策略研究

王坦坦 孫樹敏 王楠 趙其浩 高郭冰 王永亮

摘? 要： 微電網優化配置中風光出力的隨機性和波動性給微電網的并網運行造成不利影響。為了提升不可控電源出力穩定性，減小直流母線電壓波動，提高并網點電能質量，針對傳統PI控制的不足，提出一種動態響應速度更快、控制效果更好的自抗擾和二階低通濾波器復合控制混合儲能系統策略，并在Matlab環境下搭建微電網仿真模型。結果表明，該策略可以提高系統的動態響應性能，減小直流母線承受的電壓沖擊，平抑直流母線電壓波動，提高并網電能質量，驗證了所提出的混合儲能控制策略的正確性和可行性。

關鍵詞： 微電網; 混合儲能; 二階低通濾波器; 自抗擾控制; 母線電壓; 平抑波動

中圖分類號： TN876?34; TM73? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）21?0119?03

Research on microgrid control strategy based on hybrid energy storage

WANG Tantan1， SUN Shumin1， 2， WANG Nan2， ZHAO Qihao1， GAO Guobing1， WANG Yongliang1

（1. Shandong University of Technology， Zibo 255000， China;

2. Power Research Institute of State Grid Shandong Power Co.， Jinan 250002， China）

Abstract： The randomness and fluctuation of wind and light output in the optimal allocation of microgrid have adverse effects on the grid?connected operation of microgrid. In view of the shortcomings of traditional PI control， a hybrid energy storage system with active disturbance rejection and two?order low?pass filter is proposed to improve the output stability of uncontrollable power supply. The proposed system has faster dynamic response and better control effect. In addition， a simulation model of microgrid is built in Matlab environment. The test results show that the dynamic response performance of the system is improved， the voltage shock borne by the DC bus is reduced， the voltage fluctuation of the DC bus is stabilized and the power quality of grid connection is improved， which verify the correctness and feasibility of the proposed hybrid energy storage control strategy.

Keywords： microgrid; hybrid energy storage; two?stage low?pass filter; auto disturbance rejection control; bus voltage; stabilized fluctuation

0? 引? 言

光伏發電和風力發電是可再生能源領域中技術較為成熟和有著廣闊發展前景的發電技術，但其不可控和隨機波動性給電力系統的安全穩定運行帶來新的挑戰。為了高效利用風光等分布式電源，提高電力系統運行的穩定性，微電網應運而生[1]。

在微電網技術快速發展的背景下，微電網能量管理引發人們的廣泛關注。文獻[2]采用模糊控制理論在蓄電池和超級電容器之間分配功率，該方法可平抑功率波動，但在充放電狀態下采用不同的控制規則和隸屬度函數，控制方法較復雜。文獻[3]利用高通濾波器把功率高頻波動分量作為超級電容儲能的功率，剩余分量作為蓄電池儲能的功率，可實現兩者協同控制，但未考慮初始時刻動態響應速度對母線電壓的影響。

近年來，自抗擾控制算法得到了廣泛研究。自抗擾控制具有控制結構簡單、可估計并補償不確定的外部干擾、動態響應性能好、控制精度高等優勢，已經在機械工程、航空航天領域得到成功應用，但在微電網方面的應用研究較少。文獻[4]應用自抗擾控制完成空間機械臂軌跡跟蹤任務，并驗證了該算法可以適應機械臂模型變化和抵抗系統擾動。文獻[5]設計自抗擾控制算法解決無人機系統航向通道擾動大的問題，證實了自抗擾控制精度高和對擾動抑制能力強。為了提高微電網運行的穩定性，提出基于自抗擾和二階低通濾波器的混合儲能系統復合控制策略，并驗證了策略的有效性。

1? 微電網系統的整體結構

1.1? 典型交流微電網結構

交流微電網由交流母線、分布式電源、儲能裝置、負荷、能量控制系統構成[6]，典型交流微電網整體結構如圖1所示。

1.2? 混合儲能系統結構

微電網需要由儲能系統平抑分布式電源輸出功率的波動，混合儲能系統的結構主要有三類[7]：直接并聯、通過電感并聯、通過DC/DC變換器并聯。在研究中，選擇將磷酸鐵鋰電池和超級電容分別經雙向DC/DC變換器并聯在直流母線上的方式，實現獨立控制磷酸鐵鋰電池和超級電容的充放電功率，優化混合儲能系統出力，系統結構示意圖如圖2所示。

2? 二階低通濾波器控制研究

為了使混合儲能系統輸出功率的高頻段以更快的速率下降、減少高頻分量對波形的影響，改善磷酸鐵鋰電池工作狀態，應用二階低通濾波器[8]平抑功率波動。第一級低通濾波器實時跟蹤微電網中分布式電源發出的功率，濾除所發功率的高頻分量，并將其作為超級電容輸出電流的參考值。第二級低通濾波器的輸入量是第一級低通濾波器的輸出量，當第一級低通濾波器輸出功率的中低頻分量進入可以動態調整濾波時間常數的第二級低通濾波器后，濾除功率中的高頻分量，并將其作為磷酸鐵鋰電池輸出電流的參考值，剩余分量為直接并網功率。二階低通濾波器的結構如圖3所示。

3? 混合儲能自抗擾控制研究

3.1? 自抗擾控制基本結構

自抗擾控制[9]（ADRC）技術是將系統內部擾動、外部擾動、傳統PID控制不容易處理的非線性問題等構成的復雜因素作為系統總擾動，利用系統的輸入和輸出構造擴張狀態觀測器實時估計總擾動，并在反饋控制環節進行補償。ADRC主要由跟蹤微分器（TD）、非線性狀態誤差反饋控制律（NLSEF）、擴張狀態觀測器（ESO）、擾動估計補償組成[10]，整體結構如圖4所示。

3.2? 雙向DC/DC變換器自抗擾控制

傳統的雙向DC/DC變換器雙閉環控制策略為電壓外環和電流內環分別采用PI控制器，存在跟蹤響應速度慢、超調量大和穩態精度較低等不足，導致輸出電壓質量不高。本文中雙向DC/DC變換器電壓外環和電流內環分別采用一階自抗擾控制器，通過控制電感電流來控制磷酸鐵鋰電池和超級電容的充放電電流，平抑母線電壓波動，提高系統的動態響應性能和抗干擾能力。

3.3? 一階自抗擾控制器設計

令[I*L]，[IL]分別為電流內環的參考信號和采樣信號，[V*dc]，[Vdc]分別為電壓外環的參考信號和采樣信號。一階自抗擾控制器的設計過程為：

1） 跟蹤微分器設計

TD用于根據參考值安排過渡過程，其離散化表達式為：

[v1（k+1）=v1（k）-hr0fal（e1，a，δ）]? （1）

式中：[v1（k）]為[I*L]的跟蹤信號;[h]為采樣周期;[r0]為速度因子;[fal（e1，a，δ）]為最優控制函數，[a]為非線性因子，[δ]為濾波因子。

非線性函數[fal（e，a，δ）]可以表示為：

[fal（e，a，δ）=sgn（e）ea，? ? e>δeδ（1-a），? ? e≤δ]? （2）

2） 擴張狀態觀測器設計

ESO是根據對象的輸出和輸入信號實時估計出對象的狀態以及作用在對象上的總擾動。根據雙向DC/DC變換器的模型設計擴張狀態觀測器，可以表示為：

[e1=z1（k）-y（k）z1（k+1）=z1（k）+h[z2（k）-β1e1+b0u]z2（k+1）=z2（k）-hβ2fal（e1，a1，δ1）] （3）

式中：[z1（k）]為[IL]的跟蹤信號;[z2（k）]為總擾動量;[β1]和[β2]為狀態誤差反饋增益。

3） 非線性狀態誤差反饋控制律設計

系統的狀態誤差是[e1]，誤差反饋控制律是根據[e1]控制純積分器串聯型對象的控制規律[u0]。NLSEF用于設計非線性組合生成控制量，不需要積分環節就可實現無差控制。離散型的NLSEF可以表示為：

[e2=v1（k）-z1（k） u0=β3fal（e2，a2，δ2） ]? ?（4）

式中：[β3]為非線性增益;[a2]為非線性函數[fal]的參數。

4） 補償擾動分量設計

對擾動估計值進行補償，控制量為：

[u=u0b0-z3b0] （5）

式中：[u0b0]為控制積分器串聯型分量;[z3b0]為補償擾動分量。

3.4? ADRC和二階濾波控制的儲能系統

磷酸鐵鋰電池?超級電容混合儲能系統采用基于自抗擾和二階低通濾波器的控制策略。電流內環自抗擾負責快速跟蹤電流參考值，提高動態響應性能，電壓外環自抗擾負責維持直流母線電壓穩定，提高抗干擾的能力。控制系統的框圖如圖5所示。

4? 算例仿真分析

在Matlab/Simulink環境下搭建基于自抗擾和二階低通濾波器控制的風/光/混合儲微電網仿真模型，分別對傳統PI控制和ADRC控制兩種不同控制方式下的微電網系統進行仿真研究，截取仿真時間段0～2 s，仿真結果如圖6所示。

從圖6a）和圖6b）的對比中可知，傳統PI控制下的風/光/混合儲微電網的直流母線電壓約經過0.53 s的震蕩才能達到設定值，而ADRC控制策略下的直流母線電壓約經過0.36 s就可達到設定值，所提控制策略下的母線電壓設定值響應時間提前了32%。因此，自抗擾控制同傳統PI控制相比具有更快的動態響應速度和更高的精度，可以平抑仿真初始時刻直流母線承受的電壓沖擊及仿真過程中的電壓波動。

5? 結? 語

混合儲能系統對微電網的安全穩定運行和能量瞬時平衡具有重要作用，本文通過提出混合儲能系統自抗擾和二階低通濾波復合控制策略，構建了風/光/混合儲微電網仿真模型，結果表明所提策略可以提高系統的動態響應性能，減少直流母線電壓的沖擊和波動，增強微電網運行的穩定性。

注：本文通訊作者為孫樹敏。

參考文獻

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作者簡介：王坦坦（1993—），男，山東濱州人，碩士研究生，研究方向為電力電子與新能源發電技術。

孫樹敏（1968—），男，山東濟南人，高級應用研究員，主要從事電機與節能、新能源發電并網、電力電子技術研究工作。