微电网孤岛运行混合储能自适应控制策略

侯世英, 余海威, 李 琦, 杨祝涛, 毕晓辉

(1. 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学), 重庆市 400044; 2. 国网四川省电力公司天府新区供电公司, 四川省成都市 610041)

微电网孤岛运行混合储能自适应控制策略

侯世英1, 余海威1, 李 琦1, 杨祝涛1, 毕晓辉2

(1. 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学), 重庆市 400044; 2. 国网四川省电力公司天府新区供电公司, 四川省成都市 610041)

蓄电池/超级电容器混合储能系统综合了超级电容器高功率密度和蓄电池高能量密度的优势,是储能技术未来发展方向之一。针对平抑微电网直流母线电压波动的应用需求,研究了蓄电池/超级电容器混合储能系统,建立了微电网孤岛运行状态混合储能系统等效电路模型。为充分保证混合储能系统整体性能,提出一种主从双环结构自适应控制策略,系统依据所设置的不同开环截止频率,对母线功率波动进行自适应响应,完成上层的功率自适应调节并使之平衡。针对负载电流不易测量的问题,提出基于扩张状态观测器的方法对其进行虚拟测量。仿真分析结果验证了所提控制策略的有效性与可行性。

微电网(微网); 孤岛运行; 混合储能; 自适应控制; 扩张状态观测器

0 引言

微电网拥有并网和孤岛两种典型运行模式[1-2]:在并网模式下,微电网与配电网连接,由公共配电网承担着微电网电压和频率的稳定性支撑;当检测到配电网故障或电网电能质量不能满足自身要求时,微电网将断开与公共配电网的连接,由并网模式转变为孤岛运行状态[3-4]。在微电网孤岛运行时,风、光等新能源存在的波动性、间歇性和随机性特点,会给系统的功率平衡以及电能质量带来较大影响,为平抑功率波动而配置相应储能系统的需求变得不可或缺[5-11]。以蓄电池为代表的能量型储能技术,以其能量密度高的特点而广泛应用于储能领域,但其功率密度较小,动态响应速度慢,难以提供较大的瞬时输出电流,寿命较短[12-13]。以超级电容器为代表的功率型储能技术,能量密度较小,功率密度大,可承受短时高倍率充放电电流[14]。

因超级电容器与蓄电池的性能特点有很强的互补性,很多专家学者提出采用超级电容器与蓄电池混合储能系统,并配以相应的控制策略,实现微电网的稳定运行,提高储能系统的整体性能,降低蓄电池充放电电流变化率,延长其使用寿命。文献[15]提出一种动态功率分配控制策略,采用分段控制的思想,根据蓄电池输出电流大小为超级电容器电流闭环提供不同的输入参考,减小蓄电池峰值输出功率。文献[16]采用经典闭环控制理论,在超级电容器维持母线电压稳定的同时,优化蓄电池的充放电过程,提高系统整体性能。文献[17]提出一种功率自平衡控制策略,由混合储能系统在蓄电池和超级电容器间合理分配缺额功率,优化蓄电池工作过程,延长其使用寿命。文献[18]提出一种多滞环调节控制策略,利用超级电容器满足微电网大部分功率需求,蓄电池以分段恒流的形式充放电,提高储能系统功率输出能力,有效实现微电网的瞬时功率平衡。上述控制策略均未考虑超级电容器的容量问题,且在进行功率分配时需要较多的逻辑判断和数字滤波环节,增加了系统成本。

本文介绍含混合储能系统的微电网孤岛运行状态下拓扑结构及等效电路,分析互补脉宽调制(PWM)导通控制方法的特点及在微电网应用中的优势,并对其进行小信号建模;根据微电网孤岛稳定运行对混合储能系统的要求,提出一种主从双环结构式自适应控制策略,并在频域内对系统性能进行分析;鉴于负载电流不易测量的情况,提出基于扩张状态观测器(ESO)的方法对其进行虚拟测量;所提控制策略可对母线功率波动进行快速响应,完成上层的功率调节并使之平衡,具有自适应特征。

1 系统结构及其小信号模型

1.1 微电网孤岛运行状态系统结构

微电网孤岛运行状态下的系统结构主要包含三个部分,分别为电源部分、储能系统和负载部分。微电网孤岛运行下系统拓扑结构参考附录A图A1。

忽略开关损耗,由能量守恒可得到微电网系统各功率之间的关系式如下:

Pload-Pi=Psc+Pbat

(1)

式中:Pi为可再生能源发电部分的输出功率总和;Pload为负载功率;Psc为超级电容器输出功率;Pbat为蓄电池输出功率。

微电网孤岛运行时,储能系统主要承担着填补新能源发电输出功率Pi和负载功率Pload间差量的作用,达到平抑直流母线功率波动,维持母线电压稳定的目的。在进行系统分析和计算时,可将电源和负载部分等效为一个可控电流源[19],混合储能系统等效电路参考附录A图A2,用等效电流源的阶跃跳变模拟极端实际情况,可证明系统在恶劣环境下的稳定性。

1.2 微电网孤岛运行状态系统结构

蓄电池单元和超级电容器单元分别通过双向DC/DC变换器与直流母线相连。双向DC/DC变换器具有成本低和工作效率较高的特点[20],可在元器件较少的情况下实现能量的双向流动,大幅降低系统重量和体积[21],其存在两种导通模式:互补导通模式[22]和独立导通模式[23]。独立导通模式中,为避免瞬时功率的冲击,保证功率的双向平滑流动,通常需添加状态逻辑单元来实现buck状态和boost状态间稳定切换的目标,一般采用滞环的形式来实现此状态逻辑单元,较为复杂。互补导通模式可使双向DC/DC变换器工作在软开关环境,降低开关损耗,且不需状态逻辑单元即可实现功率双向流动的状态切换,系统响应速度更快[24]。在微电网中,瞬时冲击较多,储能系统需要时刻弥补新能源和负荷间的功率缺额,频繁且快速地吸收或发出有功功率是必不可少的环节,其功率流动方向切换较为频繁,因此采用互补PWM导通模式更为适合[25]。

假设开关管都是理想开关,经小信号建模可得到下列状态空间表达式:

(2)

根据上述所建小信号模型,可分别求取出超级电容器输出电流对开关S4占空比和蓄电池输出电流对开关S2占空比的传递函数为:

(3)

(4)

其他相关传递函数参考附录B。

2 混合储能自适应控制策略

据引言所述,微电网孤岛运行状态下混合储能系统对于其配套控制策略的基本要求有:维持母线电压的稳定,平抑直流母线上的功率波动;降低蓄电池输出电流的变化率,延长蓄电池使用寿命;考虑超级电容器的小容量弊端,避免其过充过放,实现储能系统的优化控制[25]。

2.1 主从结构双闭环控制策略

超级电容器具有功率密度大、可快速充放电的特点,但其能量密度小,容量不足;蓄电池能量密度大,但对于充放电电流变化率较为敏感。鉴于蓄电池的大容量储备特点和超级电容器的高速响应能力,本文提出一种主从双环结构式自适应控制策略,如图1所示,控制系统由两个主从双闭环和一个前馈环构成。

图1 混合储能控制策略框图Fig.1 Block diagram of control strategy for hybrid energy storage

超级电容器端的主环结构用以平抑直流母线的快速功率波动,稳定母线电压。前馈项嵌入在主环结构中,将该双输入单输出系统解耦为单输入单输出系统,消除扰动输入对母线电压的影响,进一步提高系统抗干扰能力。蓄电池端的从环结构将超级电容器的剩余电量维持在一个恒定的范围,保持其端电压稳定。具体的控制系统动态结构图及相应解析参考附录C。

由附录C可以推导出母线电压Ubus与参考电压输入Ubus-ref和扰动输入的表达式为:

Ubus=TrefUbus-ref+Zo(-im+iob)

(5)

(6)

Zo=

(7)

Δ=1+Gc-iscKpwmGiscd2H1+

(8)

式中:Gc-usc为超级电容器外环电压控制器传递函数;Gc-isc为超级电容器内环电流控制器传递函数;Kpwm为PWM环节增益;Iosc为超级电容器端直流变换器输出电流稳态值;H1和H2分别为超级电容器电流内环和电压外环反馈通道衰减系数;Gx为前馈项传递函数;iob为蓄电池端直流变换器输出电流。

由式(5)可知,由于Zo的存在,母线电压不仅会受到扰动电流的影响而产生波动,还与蓄电池电流存在耦合。若引入适当的前馈项系数Gx使得Zo等于0,可实现对扰动信号-im+iob的解耦控制,从理论上保证母线电压不受扰动电流波动的影响。令Zo=0,可以得到:

(9)

Ubus=TrefUbus-ref

(10)

即将该双输入单输出系统解耦为单输入单输出系统,实现直流母线电压对扰动信号的解耦,消除扰动电流对母线电压造成的影响,暂态时母线电压仍保持稳定,进一步提高系统的抗干扰能力。

主从结构双闭环控制策略的特别之处在于由超级电容器实时补偿系统功率波动,在超级电容器端电压发生变化的同时再由蓄电池缓慢响应维持超级电容器的电压稳定,功率前馈环的引入实现了对扰动信号的解耦,可进一步消除扰动输入变化对直流母线电压的影响,使得环路控制系统的设计更为方便。

2.2 超级电容器与蓄电池的功率分配

在混合储能系统中,功率波动被区分为高频部分和低频部分,其中高频功率波动由超级电容器补偿,低频功率波动由蓄电池补偿。传统的功率分配方法是利用数字滤波器对母线波动功率部分进行滤波,以此得到低频的功率或电流,再将其作为蓄电池闭环响应的参考值进行跟踪控制。此类型的控制过程较为复杂,且会增加系统成本。

经典控制理论指出,系统闭环截止频率可表征闭环系统瞬态响应速度,闭环截止频率越高,其瞬态响应速度越快。由于闭环截止频率与开环截止频率具有同向性,截止频率越高,瞬态响应速度越快,即可用开环截止频率来衡量系统的响应速度[26]。在本文所提主从双环结构中,存在4个主回路闭环,即超级电容电流内环、电压外环,蓄电池电流内环、电压外环,若利用4个闭环的内部控制器,将其各自的开环截止频率区别设置,可达到自动分离高低频波动功率的目的,从而可省去数字滤波器件及部分采样、控制电路,在降低成本的同时也加快系统的响应速度。系统可依据所设置的不同开环截止频率对母线功率波动进行自适应响应,完成上层的功率自适应调节并使之平衡,具有自适应特征。

由于各自开环截止频率设置的不同,超级电容器的响应速度明显快于蓄电池,在微电网孤岛运行状态下,功率需求一旦发生突变,由超级电容器快速响应来弥补功率缺额。超级电容器在优先响应时,其端电压会因充放电而发生波动。在检测到超级电容器端电压发生变化时,蓄电池缓慢反应,以维持超级电容器端电压的恒定,达到一种动态自适应平衡。通过这样一种主从双环结构式自适应控制,系统会将超级电容器所暂时承担的母线功率缺额逐渐转移到蓄电池系统上,这样可使蓄电池输出功率变化较为平滑,降低充放电深度,延长其使用寿命,同时也避免超级电容器过充过放。

2.3 系统频域分析

由附录C图C1和图C2可以分别得到isci和ibi到im的闭环传递函数Gscm和Gbm分别为:

(11)

(12)

式中:Gc-ub为蓄电池外环电压控制器传递函数;Gc-ib为蓄电池内环电流控制器传递函数;Iob为蓄电池端直流变换器输出电流稳态值;H3和H4分别为蓄电池电流内环和电压外环反馈通道的衰减系数。

由式(5)和式(6)可知,Ubus到Ubus-ref的闭环传递函数为:

(13)

混合储能系统闭环传递函数幅频特性曲线如图2所示。从图2(a)中可以看出,对于等效负载电流im的变化,超级电容器和蓄电池的输出电流均可进行相关的响应,且相对于Gbm来说,Gscm的截止频率要大很多。根据经典控制理论,系统幅频特性曲线的截止频率与其响应速度存在同向性,因此在im变化时,超级电容器的响应速度要快得多,补偿高频功率波动,而蓄电池的响应速度则较为缓慢,补偿低频功率波动,从理论上印证了本文所提控制策略可降低蓄电池输出功率变化率,达到延长蓄电池使用寿命的目的。从图2(b)中可以看出,Guuref在低频部分始终保持在“0”状态,证明系统对于母线电压Ubus有良好的跟踪性能,可有效平抑母线功率波动,维持母线电压的稳定。

3 负载电流扩张状态观测器的设计与实现

自适应控制策略中为引入前馈控制以消除扰动输入对直流母线电压的影响,需要加装电流传感器来引入负载电流iload的值,这样会增加开关管电路与直流母线间的杂散电感,造成系统的不稳定;且由于现实采样频率的限制,在iload发生变化时,可能并不能采集到实际所需电流值。因此,本文提出基于扩张状态观测器模型的负载电流虚拟测量方法,利用已知的直流母线电压Udc和混合储能系统变换器输出电流io对负载电流进行虚拟测量,根据系统动态行为,利用观测器进行实时估计,利用已知或易于测量的参数和状态估计难以直接测量的状态。扩张状态观测器是在一般观测器的基础上,将影响系统被控输出的总扰动扩张成新的状态变量,然后对系统状态变量和总扰动进行估计的一种非线性观测器。

图2 混合储能系统闭环传递函数幅频特性曲线Fig.2 Amplitude-frequency characteristic curves of closed-loop transfer function for hybrid energy storage system

具体地,将输出方程Cdudc/dt=io-iload(C为母线稳压电容自身参数)写成一阶标准形式,有

(14)

则式(14)扩张状态后可写成如下方程:

(15)

对此,在式(15)中令状态z1=Udc,扩张状态(干扰)z2=-(1/C)iload,输入u=io,输入系数b=1/C,可以构造如下的扩张状态观测器:

(16)

(17)

扩张状态观测器控制框图如图3所示,利用扩张状态观测器可实时估计负载电流,增强控制系统对测量噪声的抗干扰能力。

图3 扩张状态观测器工作原理Fig.3 Operational principle of extended state observer

通过以上分析发现,如果已知初始状态、Udc及io,即可根据图3和扩张状态观测器方程(16)得到iload的虚拟测量值。

4 仿真研究

为了验证上述控制策略及负载电流扩张状态观测器的正确性和有效性,采用MATLAB/Simulink对混合储能系统进行仿真验证。系统框图如附录A图A2所示,电路参数见附录A表A1,开关频率为50 kHz,超级电容电流内环、电压外环及蓄电池电流内环、电压外环的开环截止频率分别设置为5 000,500,5 000,5 Hz。扰动均选择极限情况,即负载阶跃跳变。

图4为负载发生变化时,采用电流传感器方法(因母线负载电流受开关频率影响,呈脉冲波形,不可直接用于前馈,因此需添加一低通滤波环节对实测波形进行处理)和扩张状态观测器虚拟测量方法分别得到的负载电流波形,观测器的初值给定为零,负载在7 s和14 s进行了跳变。从图4中可见,由扩张状态观测器虚拟测量的负载电流既可在稳态很好地保持与实际电流数值的同步,也能在负载突变时,快速跟踪负载电流,满足系统自适应控制策略的需要。

负载跳变时,直流母线电压、蓄电池和超级电容器电流、超级电容器端电压及其荷电状态(SOC)的瞬态响应曲线参考附录D。可以看出,自适应控制策略可有效抑制因负载突变所引起的母线电压超调,加速响应过程,平抑直流母线功率波动;在超级电容器和蓄电池间有效地进行功率分配,减小蓄电池端电流变化率,延长其使用寿命;使超级电容器剩余电量始终维持在一定水平,避免超级电容器过冲过放。

图4 负载突变时观测器和传感器所测量的负载电流波形Fig.4 Load current waveforms measured by observer and sensor when load sudden changes

5 结语

本文针对平抑微电网直流母线电压波动的应用需求,提出一种混合储能主从双环结构自适应控制策略,由超级电容器实时补偿系统功率波动,在超级电容器端电压发生变化的同时，再由蓄电池缓慢响应维持超级电容器的电压稳定,避免超级电容器SOC达到最大或最小限值而退出运行,并引入功率前馈环以进一步消除扰动输入变化对直流母线电压的影响。另外,为降低成本，提高系统稳定性,针对负载电流不易测量的问题,提出基于扩张状态观测器的负载电流虚拟测量方法取代电流传感器测量负载电流的方法,提高微电网孤岛运行可靠性。仿真研究验证了所提控制策略的正确性和有效性。

但本文中控制系统相关开环截止频率选取原则相对简单,因此后续研究中可综合考虑系统模型及所用开关频率对该选取原则的最优化配置展开进一步研究。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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Adaptive Control Strategy of Hybrid Energy Storage in Microgrid Islanded Operation State

HOUShiying1,YUHaiwei1,LIQi1,YANGZhutao1,BIXiaohui2

(1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 2. Tianfu District Power Supply Company, State Grid Sichuan Electric Power Company, Chengdu 610041, China)

The battery/supercapacitor hybrid energy storage system has become one of the future development directions for energy storage technology by combining the advantages of high power density and high energy density. According to the application demand for stabilizing DC bus voltage fluctuation of the microgrid, the battery/supercapacitor hybrid energy storage system is studied, and the equivalent circuit model of hybrid energy storage system is established. In order to fully guarantee the overall performance of the hybrid energy storage system, a master-slave dual-loop structure adaptive control strategy is proposed. The hybrid energy storage system can produce adaptive response to the output power fluctuation according to the different cut-off frequencies of the system. And the upper level of the power adjustment is completed and balanced. To solve the problem of difficulty in measuring the load current, virtual measurement based on the extended state observer is proposed. Simulation results have verified the effectiveness and feasibility of the proposed control strategy.

This work is supported by Program of Introducing Talents of Discipline to Universities (“111” Program) (No. B08036).

microgrid; islanded operation; hybrid energy storage; adaptive control; extended state observer

2016-12-13;

2017-04-08。

上网日期: 2017-06-14。

高等学校学科创新引智计划(“111”计划)资助项目(B08036)。

侯世英(1962—),女,博士,教授,主要研究方向:电力电子在电力系统中的应用、新能源发电。E-mail：houshiying@163.com

余海威(1992—),男,通信作者,硕士研究生,主要研究方向:直流微电网混合储能控制策略。E-mail: 82403536@qq.com

李 琦(1993—),女,硕士研究生,主要研究方向:模型预测控制在电力电子中的应用。E-mail: 550466878@qq.com

(编辑 孔丽蓓)