SMES/BESS储能变流器在微电网中的控制策略研究-北极星储能网

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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S_d、S_q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：E_g表示蓄电池端电压;R_b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;U_dc1表示BESS直流侧的电容电压;ib表示流经蓄电池的电流;i_D、i_Q表示BESS储能变流器在交流侧d、q轴上的电流;S_D、S_Q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S_D、S_Q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。

原标题：SMES/BESS储能变流器在微电网中的控制策略研究

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