光儲系統Super-TwistingL2增益自適應下垂控制

劉雅芳，谷志鋒，李 琳，張 凱，劉靖波，李夢佳

(1. 石家莊鐵道大學電氣與電子工程學院，河北 石家莊 050043; 2. 中國人民解放軍第三三零二工廠，河北 石家莊 050035)

0 引 言

光儲一體式發電技術促進了微電網的快速發展，拓展了新能源發電技術前景。光儲發電系統慣性小，環境條件（光照、溫度）以及負荷功率隨機性變化均會對系統穩定性會產生不利影響，因此，功率快速穩定分配方法成為研究熱點[1-2]。在光儲一體發電系統眾多控制方法中，下垂控制由于具有分散同步、無需通信系統支持等優點，所以是一類重要的微電網控制方法[3-4]。文獻[5]依據交流頻率與直流電壓標幺化參數實施交直流混合微電網下垂控制，由于下垂系數固定，導致母線電壓波動較大，為此，部分學者提出了自適應下垂控制算法[6]；文獻[7]提出了余弦函數曲線特性的動態下垂系數法，下垂系數隨著功率減小而增大，以減少母線電壓抖振；文獻[8]提出了基于輸出量非線性函數的微網潮流控制器變系數下垂控制方法；文獻[9]提出了計及轉速限值的雙饋風機下垂系數整定方法及控制策略，使轉速自行穩定，減少了系統擾動對風機調頻過程的影響；文獻[10]提出了基于虛擬慣性的雙曲正切函數下垂控制方法，實現了母線電壓穩定；文獻[11-12]提出電壓協調下垂控制策略，但未考慮與儲能變換器動態影響。

由于直流微網中的儲能變換器具有非線性特征，且存在參數不確定性和外部擾動，L2增益控制是提高系統魯棒穩定性的重要方法。然而，傳統L2增益算法不可避免地存在控制抖振的問題，限制了提高系統動態穩定性能的能力。Super-Twisting通過引入積分環節，可以有效降低控制抖動，筆者所在課題組提出了非線性系統Super-TwistingL2增益控制方法[13]。同時結合光儲微網慣性小的物理特征，為克服傳統固定系數下垂控制容易引起功率波動的不足，本文提出一種Super-TwistingL2增益自適應下垂控制方法，對光伏電池與儲電池組之間進行協調控制，避免新能源的浪費，延長蓄電池組壽命。在光照強度等環境條件以及負載的突增突減進行擾動的情況下，有效維持直流母線電壓穩定，減小系統的抖振，增大系統的慣性，提高系統的電能質量。

1 Super-TwistingL2增益自適應下垂控制方法

2 光儲微網的運行方案

直流微網在不受外界條件影響(例如光照強度、溫度變化)以及負載的突增突減時，系統可以正常運行；在受到外界條件影響以及負載的突增突減時，系統中各個元件可以有序地投入和切出。本文采用光儲微網進行實驗仿真，如圖1所示，系統由光伏單元、蓄電池組、儲能變換器以及負荷單元構成。

圖1 光儲系統Super-Twisting L2增益自適應下垂控制框圖

光儲直流微網中有6種工作模式：

方案一：當光照充足時，既可以滿足負載需求又可以給蓄電池組充電，此時光伏采用恒壓進行控制。隨著光照強度慢慢減弱，仍然可以滿足負載要求，但無法達到蓄電池組充電上限。滿足條件

式中：PBCmin——蓄電池組最小充電功率；

PPV——光伏電池最大輸出功率；

PL——負載功率。

方案二：在方案一時刻，光照持續減弱并減少為0，光伏既無法滿足負載的需求，也無法滿足給蓄電池組充電，此刻由蓄電池組與柴油機共同為負載供電。滿足條件

方案三：在方案二的基礎上，光照強度慢慢增強，但是光照強度僅僅滿足給負載供電，蓄電池組不充電也不放電，光伏單元控制方式為最大功率跟蹤控制，滿足條件

PL+PBCmin＞PPV≥PL (26)

方案四：如果在方案二的基礎上光照強度突然增強，既可以滿足負載需求，又可以給蓄電池組充電，滿足條件

方案五：在方案三的基礎上光照強度逐漸增強，既可以滿足負載需求，又可以給蓄電池組充電，滿足條件

方案六：在方案五的基礎上，光照急劇下降，光伏無法滿足負載的需求，同時也無法滿足給蓄電池組充電，此刻由蓄電池組與柴油機共同為負載供電，滿足條件

3 仿真實驗

本文為了驗證所提出的 Super-TwistingL2增益自適應下垂控制方法的準確性，并與基于電壓變化率的下垂控制以及傳統的下垂控制進行對比。選取方案一與方案四在Matlab中結合模型進行仿真實驗。通過調節光伏單元中光照強度以及負載投切的變化，對傳統下垂控制、基于電壓變化率的下垂控制以及Super-TwistingL2增益自適應下垂控制進行實驗對比分析，時長為12 s，實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數

3.1 方案一的控制性能對比

實驗條件：負載在3 s與6 s時進行擾動，光照強度在6 s時，由1 kW降到0.5 kW。

初始時刻，光伏單元足以為負載與蓄電池組供電，光伏輸出功率從0 s到6 s時逐漸增加，在6 s時光照強度和溫度以及負載的變化，光伏電池的輸出功率逐漸減小，如圖2(b)所示。蓄電池組的荷電狀態由原來的89.978%在5 s時達到90%充滿電量，如圖2(c)所示。圖2(a)為母線電壓變化曲線，圖2(d)為下垂系數變化曲線。

圖2 光儲系統仿真結果（方案一）

由圖2可知，傳統下垂控制與基于電壓變化率的下垂控制均能保持母線電壓穩定在700 V左右，但是在外界條件變化時傳統下垂控制電壓波動太大，在3 s左右時下降到642.4 V，在6 s左右時，上升到771 V；基于電壓變化率的下垂控制中，在3 s左右時下降到676.7 V，在6 s左右時，上升到717.4 V；Super-TwistingL2增益自適應下垂控制在3 s左右時下降到684.7 V，在6 s左右時，上升到716 V。明顯看出傳統下垂控制的電壓波動要更大，其他兩種控制方式電壓波動較小，在3 s時Super-TwistingL2增益自適應下垂控制比傳統下垂控制的電壓波動減少了6.04%，比基于電壓變化率的下垂控制電壓波動減少1.14%；在6 s時Super-TwistingL2增益自適應下垂控制比傳統下垂控制的電壓波動減少了7.86%，比基于電壓變化率的下垂控制電壓波動減少了0.2%。在光伏電池輸出功率時，傳統下垂控制3 s時，上升到10.01 kW一直到6 s時功率下降，降為4.9 kW并保持穩定；基于電壓變化率的下垂控制中，3 s時，上升到9.75 kW一直到6 s時功率降為4.9 kW并保持穩定；在Super-TwistingL2增益自適應下垂控制在3 s時，上升到10.4 kW一直到6 s時功率降為5.71 kW并保持穩定。相較前兩種方法光伏輸出功率波動有所減小且一直保持最大功率輸出。在下垂系數中，外界條件變化（3 s和6 s）時，基于電壓變化率的下垂控制與Super-TwistingL2增益自適應下垂控制均能快速做出響應，但是Super-TwistingL2增益自適應下垂控制響應速度更快。

3.2 方案四的控制性能對比

實驗條件：負載在3 s與6 s時進行擾動，光照強度由0 kW上升到1.4 kW。

由方案二可知，光照強度為0時，蓄電池組與其他發電裝備為負載供電，當光照強度突然增加1.4 kW時，足以為蓄電池組與負載繼續供電。光伏輸出功率從3 s逐漸增加，在6 s時由于負載的變化，光伏電池的輸出功率逐漸減小，如圖3(b)所示。蓄電池組的荷電狀態由原來的60%一直充電，如圖3(c)所示。圖3(a)為母線電壓變化曲線，圖3(d)為下垂系數變化曲線。

圖3 光儲系統仿真結果（方案四）

根據圖3可知，傳統下垂控制與基于電壓變化率的下垂控制均能保持母線電壓穩定在700 V左右，但是在外界條件變化時電壓波動太大，傳統下垂控制在3 s左右時下降到644.1 V，在6 s左右時，上升到765.1 V；基于電壓變化率的下垂控制中，在3 s左右時下降到676.3 V，在6 s左右時，上升到720.9 V；在Super-TwistingL2增益自適應下垂控制在3 s左右時下降到686.2 V，在6 s左右時，上升到716.3 V。明顯看出相較傳統下垂控制，其他兩種控制方式電壓波動較小。在3 s時Super-TwistingL2增益自適應下垂控制比傳統下垂控制的電壓波動減少了6.01%，比基于電壓變化率的下垂控制電壓波動增加了1.41%；在6 s時Super-TwistingL2增益自適應下垂控制比傳統下垂控制的電壓波動減少了7.0%，比基于電壓變化率的下垂控制電壓波動減少了0.66%。在光伏電池輸出功率時，傳統下垂控制3 s時，上升到13.02 kW，6 s時功率降為7.90 kW并保持穩定；基于電壓變化率的下垂控制中，3 s時，上升到12.77 kW，6 s時功率降為7.92 kW并保持穩定；在Super-TwistingL2增益自適應下垂控制3 s時，上升到13.49 kW，6 s時功率降為8.71 kW并保持穩定。相較前兩種方法光伏輸出功率波動有所減小且一直保持最大功率輸出。在下垂系數中，外界條件變化時，在3 s和6 s時，基于電壓變化率的下垂控制與Super-TwistingL2增益自適應下垂控制均能快速做出響應，但是Super-TwistingL2增益自適應下垂控制響應速度更快。

4 結束語

在光儲直流微網中，合理分配光伏電池與蓄電池組的輸出功率，結合兩種方案，采用Super-TwistingL2增益自適應下垂控制分別和傳統下垂控制以及基于電壓變化率的下垂控制方法進行分析比對。實驗表明，在維持母線電壓穩定、保持光伏輸出功率最大輸出、負載擾動的條件下，下垂系數的快速反應動作中，Super-TwistingL2增益自適應下垂控制都要比其他兩種控制更加優越，有效地減少了系統母線電壓的抖振，增大了系統慣性，改善了由于外界環境的影響以及負載的變化引起的電能質量問題，對于研究系統各個單元協調控制具有一定的研究前景與價值。