SMES/BESS储能变流器在微电网中的控制策略研究

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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