基于SMC的交直流混合微电网接口换流器控制系统

苏小玲，韩民晓，Josep M. Guerrero，赵　鑫

(1．华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京　102206；2．奥尔堡大学 能源技术系，丹麦　9220)



基于SMC的交直流混合微电网接口换流器控制系统

苏小玲1，韩民晓1，Josep M. Guerrero2，赵鑫2

(1．华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京102206；2．奥尔堡大学 能源技术系，丹麦9220)

根据孤岛情况下混合微电网的运行特点建立了接口换流器的数学模型并设计了基于滑模控制(Sliding-mode control, SMC)的接口换流器控制系统。该控制系统将SMC和比例谐振控制(proportion resonant, PR)相结合，同时利用了SMC的快速响应性、强鲁棒性以及PR控制能够抑制谐波的优点。仿真和实验结果表明，该控制系统可以保证接口换流器在不确定和非线性条件下的鲁棒性和快速响应，为微电网提供电压、频率支撑，保证其孤岛后的稳定运行。

混合微电网；接口换流器；滑模控制；比例谐振；鲁棒性

0　引　言

分布式电源(Distributed Generation，DG)和负荷组成小型发配电系统，以微电网的形式接入大电网与大电网互为支撑，是发挥DG系统效能的最有效的方式[1-3]。微电网可分为交流、直流以及交直流混合三类；其中，交直流混合微电网既含有交流母线又含有直流母线。根据DG及负荷的特点，采用交、直流混合供电的灵活运行模式，避免了DG和负荷接入交流微电网或直流微电网时需要进行多次换流造成的诸多电能质量问题。同时降低了投入成本及损耗，可达到充分利用DG的目的。

混合微电网中的双向接口换流器连接着交、直流母线，可根据实际需要工作在整流或逆变模式；在交、直流母线之间的功率交换过程中担任着支撑和协调的角色；对系统的稳定运行及电能质量的提高有重要作用[4-7]。双向接口换流器的数学模型是一个典型的非线性多输入多输出系统，模型中含有状态变量和控制变量的乘积，并且状态变量间存在耦合。因此，常规控制策略难以满足其输出零稳态误差、快速动态响应、输入电流畸变小等要求[8]。此外，由于小信号假设，常规线性和非线性控制策略无法适用于大信号工作条件。当出现大的瞬态变化时，换流器的行为无法充分地反映出来[9]。同时，由于间歇性电源和大量非线性设备的存在，使得接口换流器两侧都存在扰动和谐波，增加了接口换流器的控制难度。

作为一种在设计选择中具有高度灵活性的控制方法，滑模控制比其他非线性控制方法更易于实现[10-12]。文献[13]利用滑模控制稳定整流器直流侧电压、保证系统的单位功率因数。文献[14]将滑模控制用于单相逆变器，针对逆变器的并网、孤岛两种运行方式分别设计了控制方法。文献[15]提出了基于积分滑模控制器的直接功率控制策略，以实现并网逆变器在非理想电网情况下的输出功率平稳。文献[16]设计了一种基于自适应滑模控制策略，支持不同运行模式下的交流微电网。

在实际控制系统中，由于系统参数变化、外部扰动以及检测技术限制等因素的影响，通常难以获得控制对象的精确模型，使得传统滑模控制无法达到理想的品质。而且对于多控制系统, 从到达条件确定各个变结构控制是比较困难的。因此，本文在传统滑模控制的基础上，引入了趋近律的概念，规定了滑模控制过程中系统在正常运动阶段的状态轨迹。此外，在构造滑模面时加入了谐振项和积分项，可同时利用SMC的快速响应性、强鲁棒性以及PR控制能够抑制谐波的优点，积分项则可以减小稳态误差、削弱抖振。

1　交直流混合微电网的结构

混合微电网的典型结构为交流系统和直流系统按各自的原则组成微电网，由可四象限运行的接口换流器连接，如图1所示。直流系统为并联式结构，储能系统、直流负荷、光伏系统等DG通过直流母线并联。交流系统的结构与直流系统结构相似，DG以及负荷并联到交流母线上；混合微电网由交流母线经馈线接入电网。

图1　交直流混合微电网Fig.1　AC/DC hybrid microgrid

微电网并网(一般为配电网)运行，微电网与主电网之间灵活交换功率；若主电网发生故障，微电网迅速与主网解列，运行于孤岛模式；主电网恢复正常后微电网可再次联网，重新进入并网运行模式。

当微电网并网运行时，主电网支撑其电压、频率。微电网有主电网这一相对可靠的能量来源，首先要给储能系统充电以储存足够的电能应对微电网的孤岛运行。在充分充电的前提下，微电网方可向电网输送电能。当断路器QF断开，微电网转为孤岛运行，储能系统稳定微电网直流母线电压。由微电网的结构可知，接口换流器是唯一能够支撑交流母线电压、频率的设备。因此，由接口换流器控制交流母线电压和频率、支持交流侧DG和负荷稳定运行。若交流侧DG的总出力大于负荷和损耗，由接口换流器将电能输送至直流侧，由储能系统存储部分电能；反之，储能系统可输出功率，补偿功率差额。

2　双向接口换流器模型

2.1接口换流器的电路结构

接口换流器电路结构如图2所示，Udc为直流侧电压，Um表征由直流母线上DG波动、系统参数变化等引起的扰动量。u0a，u0b，u0c与i0a，i0b，i0c分别表示交流侧相电压与电流。La，Lb，Lc和Ca，Cb，Cc为滤波器电感、电容。ra，rb，rc为换流桥、电感及线路等效串联电阻rfa，rfb，rfc为滤波电容等效串联电阻。ima，imb，imc表征交流母线上DG波动、系统参数变化造成的扰动量。

图2　接口换流器电路结构Fig.2　Typology of the interface convertor

2.2接口换流器的数学模型

微电网孤岛运行时，储能系统稳定微电网直流母线电压。接口换流器的控制目标是输出幅值、频率一定的正弦波电压。在SPWM中，载波频率远高于换流器交流侧基波频率时，换流桥部分可以看成是一个比例环节，比例系数设为kPWM。因此系统的状态方程可表示为

(1)

考虑到微电网中的瞬态变化、系统参数变化造成的扰动量，式(1)可进一步改写为

(2)

(3)

并且，假设系统的不确定性有界。

式(2)简化为

(4)

3　控制系统设计

滑模控制的运动过程由两部分组成：第一段是系统在连续控制下的正常运动阶段，它在状态空间中的运动轨迹全部位于切换面以外，或者有限地穿过切换面；第二段是系统在切换面附近且沿切换面向稳定点运动的滑模运动阶段。所有滑动模态段都存在着抖动运动，只有最终滑动段才可按极点配置或最优控制等方法来保证它的品质, 而且这一段运动对系统的摄动和干扰具有完全的自适应性(不变性)。对正常运动阶段, 仅仅到达条件，只能保证运动到达切换面。完全无法保证这段运动的品质, 如快速性及超调量等[17]。此外, 加在系统上的摄动和干扰也将对这段运动产生较强烈的影响。因此，本文通过设计趋近律，规定了滑模控制过程中系统在正常运动阶段的状态轨迹。

在孤岛模式下运行的微电网是一个弱系统，短路容量较小，容易受谐波、不平衡等电能质量问题的影响。为了减小由参数不准和谐波引起的误差，本文在构造滑模面时加入了谐振项，可同时利用SMC的快速响应性、强鲁棒性以及PR控制能够抑制谐波的优点。此外，还加入了积分项，进一步减小稳态误差、削弱抖振。因此，系统的滑模面设计为

(5)

式中：η表示状态反馈系数矩阵，β0表示滑模面的积分项系数、βn表示n次谐振项系数；euk=Uk-Urefk, Urefk=[ Uk-Urefk]T，euk=u0k-urefk，urefk表示接口换流器交流侧电压参考值。考虑到算法的复杂程度以及控制系统的效果，选择趋近率为

(6)

将式(5 )代入式(6)，化简可得

(7)

根据系统的状态方程以及式(7)，设计接口换流器的控制为

(8)

且

(9)

(10)

式中：W为满秩常数矩阵，且WF非奇异；ε为小的正常数；sign(·)表示符号函数。通过选择合适的状态反馈系数矩阵η以及系数a，b0，bn可以保证系统的鲁棒性，同时也可以调整接口换流器的电压控制特性。

4　仿真分析

4.1系统参数

利用MATLAB仿真软件建立图1中混合微电网的仿真模型，系统参数见表1。交、直流母线上的DG分别通过逆变器和DC/DC并网，向微电网注入功率。储能设备通过双向DC/DC并网，其运行方式由微电网的运行状态决定。接口换流器交流侧电压参考值设为220 V，50 Hz；直流母线电压额定值为650 V。

表1　系统参数

4.2 算例1

微电网孤岛运行，交流母线上的负荷为10 kW，DG的输出功率15 kW，直流母线电压为额定值。0.1 s直流母线电压跌落15%，0.2 s直流母线电压增加为额定值的115%，仿真结果如图3-4所示。

图3　交流母线电压Fig.3　Voltage waveform of the AC bus

图4　接口换流器交流侧电流Fig.4　AC current waveform of the interface convertor

仿真结果表明，直流母线上有大扰动时，接口换流器可以稳定交流母线的电压，保证微电网的正常运行。

4.3算例2

微电网孤岛运行，交流母线上的负荷为10 kW，DG的输出功率4 kW，直流母线电压为额定值。0.1 s交流母线负荷减少3 kW，0.2 s交流母线上的3 kW负荷重新并网，仿真结果如图5-6所示。

图5　交流母线电压Fig.5　Voltage waveform of the AC bus

图6　接口换流器交流侧电流Fig.6　AC current waveform of the interface convertor

仿真结果证明，交流母线上有扰动时，接口换流器可以稳定母线电压、频率，保证微电网内负荷、DG的正常运行。

5　实验结果

5.1实验平台

为了证明所提出的控制系统的可实现性，本文在dSPACE 1006平台上对模型进行了验证，实验平台如图7所示，图8为实验电路。

图7　实验平台Fig.7　dSPACE setup

图8　实验电路结构Fig.8　Setup topology

实验电路由 2台容量为2.2 kVA 的Danfoss换流器、LCL滤波器及1台容量80 kVA的直流电源以及dSPACE 1006控制系统构成。换流器经LCL滤波器后接入同一条交流母线。换流器采用PWM调制，载波频率设为10 kHz，其他电路参数与仿真模型一致。换流器1模拟交直流微电网接口换流器，换流器2模拟直流母线上的DG。

5.2实验1

微电网孤岛运行，DG的输出功率为1.5 kW，交流母线上的负荷由1.68 kW增加为3 kW，图9为交流母线电压波形，图10为接口换流器的交流侧电流波形。

图9　交流母线电压波形Fig.9　Voltage waveform of the AC bus

图10　接口换流器交流侧电流波形Fig.10　AC current waveform of the interface convertor

5.3实验2

微电网孤岛运行，DG的输出功率为1.5 kW，交流母线上的负荷由3 kW减少为1.68 kW，图11为交流母线电压波形，图12为接口换流器的交流侧电流波形。微电网交流母线电压始终保持稳定；接口换流器交流侧的电流随交流母线上功率缺额的增加而增大。

图11　交流母线电压波形Fig.11　Voltage waveform of the AC bus

图12　接口换流器电流波形Fig.12　AC current waveform of the interface convertor

在整个实验过程中，接口换流器交流侧的电流随交流母线上功率缺额的变化而变化，而微电网交流母线电压始终保持稳定。

6　结　论

本文分析了交直流混合微电网孤岛在模式运行时，接口换流器的数学模型及特性。在此基础上，提出了基于SMC与PR结合的接口换流器控制系统，保证微电网在不确定和非线性条件下的鲁棒性和稳定性。根据微电网的运行特性设计了实验和仿真算例。在仿真和实验过程中，微电网交流母线电压始终保持不变；微电网内负荷、DG稳定运行。仿真和实验结果证明了该控制系统的有效性、正确性以及在实际应用中的可行性。接口换流器为微电网的交流母线提供电压、频率支持，保证微电网与主电网解列后仍可稳定运行。

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Control System for AC/DC Hybrid Micro-grid Interface Convertor Based on SMC

SU Xiaoling1, HAN Minxiao1, Josep M. Guerrero2, ZHAO Xin2

(1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Beijing 102206, China；2.Department of Energy Technology, Aalborg University, Aalborg 9220, Denmark)

Mathematical models of interface convertor are established based on the characteristics of islanding operation in the hybrid micro-grid and the control system for the interface convertor based on sliding-mode control (SMC) is designed in this paper. Combining SMC with the proportion resonant (PR), the control system can take advantage of the following features: fast response, robustness of SMC and the suppression of harmonics of PR. The simulation and experimental results illustrate that the control system can maintain the robustness and fast response of interface convertor under uncertain and nonlinear conditions, which provides voltage and frequency support for micro-grid thus ensures its stable operation after islanding.

hybrid micro-grid; interface convertor; sliding-mode control; proportion resonant; robust

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.04.02

2015-10-26.

中丹国际合作项目 智能直流微电网设计与实证(2014DFG72620).

苏小玲(1986-)，女，博士研究生，主要研究方向为分布式发电，微电网技术；韩民晓(1963-)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用。

TM712

A

1007-2691(2016)04-0008-06