储能双向变流器控制建模与教学仿真

聂晓华， 刘一丹， 彭亦伟

（南昌大学信息工程学院，南昌 330031）

0 引 言

作为储能装置和电网的中间接口，双向变流器在稳定电压、提高电能质量方面起着重要作用，是智能电网建设和运行的重要发展方向。对于变流器来说，控制环节是决定其输出电能质量的好坏的重要环节［1］，

文献［2］中分析了变流器孤岛和并网模式的控制方法，设计了基于比例积分（proportional integral，PI）参数控制的调节器控制系统，验证了PI 控制方法的可行性。文献［3］中分析了变流器并网模式的控制方法，设计出基于恒功率PQ控制的调节器控制系统。还有很多其他的控制方式，如准比例谐振（Quasi Proportional Resonance，QPR）［4］控制、比例谐振（Proportional Resonance，PR）［5］控制和下垂控制［6］等。对于控制器来说，最重要的就是控制参数的选取，近年来，随着智能算法的发展，利用智能算法寻找控制器最优参数已是常态，文献［7］中提出了编织优化算法对PI控制器参数的整定寻优，实验表明，该算法响应快，寻优能力强。文献［8］中提出了一种改进粒子群优化（Particle Optimization with Multiswarm and Multiple Velocity Update Methods，MMPSO）算法，将其应用于单向变流器系统的优化目标函数中，验证了该算法实用性强，收敛速度快的优点。本文提出采用麻雀搜索（Sparrow Search Algorithm，SSA）算法［9］优化变流器控制器参数的方法，在Matlab/Simulink中对储能双向变流器控制系统进行建模仿真，将麻雀群体寻优后的参数应用于储能双向变流器控制系统中，得到的仿真结果验证了基于SSA算法的储能双向变流器控制方法的合理性和有效性。

1 储能双向变流器工作原理

1.1 主电路结构

本文选用的是电压型三相桥式变流器，主电路结构如图1 所示，此电路的工作原理主要是利用改变PWM输出波形，来控制图中S1～S6的导通与截止，实现当电网向负载供电时，电流反向传输，负载向电网提供电能时，电流正向传输。由滤波电感Ln和滤波电容Cn构成的LC 滤波器连接在变流器的输出端，用来吸收变流器开关带来的谐波，在直流侧并联的大电容Cd，能使蓄电池电压Udc处于恒定状态，同时也可以提供无功电流回路。

图1 储能双向变流器主电路结构图

1.2 储能双向变流器数学模型

储能双向变流器电网侧三相相电动势分别为ea、eb、ec，基波电流分别为ia、ib、ic，Udc为蓄电池电压，ω为基波角频率。经过Clark 变换后得到两相静止坐标下的方程，再经Park变换，整理得到双向变流器在dq旋转坐标系下的数学模型：

1.3 控制策略

1.3.1 孤岛运行模式

当储能双向变流器处于孤岛模式时，没有电网电源的支持，为能给负载提供电能质量良好的三相交流电，对变流器采用恒压、恒频控制方法，即输出电压、频率恒定，且无较大谐波。现设计出PI 控制的电压、电流双闭环控制方法。由于dq轴之间的耦合较小，因此下列控制系统均以d轴为参考。其控制线性结构图如图3 所示。

内环控制的传递函数

图2 孤岛模式下双闭环PI控制线性结构图

式中：KPWM为桥路PWM 等效增益；Kp1为内环比例参数；KI1为内环积分参数；Z为交流侧负载；T为采样周期。

总的闭环传递函数为：

1.3.2 并网运行模式

当储能双向变流器并网运行时，电网侧电压稳定，能为电路提供电压和频率的支持，在并网模式下采用恒流控制，使得并网状态下给负载供电的同时又能给储能装置充电。断开孤岛运行时的电压外环控制部分，采用直接电流控制。

由式（1）经过等效变换可得：

采用PI调节器对dq轴电流前馈解耦，则变流器的数学模型转变为

d轴的电流环控制结构如图3 所示。

图3 并网运行下电流内环PI控制线性结构图

由图3 可得Id的闭环传递函数为：

2 基于麻雀搜索算法的PID控制参数整定

2.1 优化目标函数的选取

为了保证Ud0的总谐波畸变率（Total humonic distortion，THD）和Ed（s）的值都尽可能的小，此处选取Ud0的THD和时间乘以误差绝对值积分（ITAE）作为整定目标函数［12］。将THD 和ITAE 加上不同的权系数，并进行组合：

式中：a，b均为加权系数，且a+b=1；Uoz1和Uoz分别为负载输出电压基波幅值和各次谐波幅值。

2.2 优化设计步骤

在可选范围内找到一个使目标函数最小，即电压、电流误差和THD最小的控制器参数，属于最优问题的范畴，本文将麻雀搜索算法引入求解变流器控制参数。优化设计步骤如下：

步骤1根据式（7）确定目标函数、参考电压、电流给定值以及SSA 算法中的各项参数，如种群数、维数、迭代次数等。

步骤2随机初始化麻雀群个体的速度、位置。建立一个空矩阵，用来存放全局最优粒子和个体最优粒子。

步骤3进行麻雀位置与速度的更新。

步骤4SSA算法将每个麻雀代表的控制器参数赋值给控制器，通过调用仿真模型得到目标函数适应值，返还给算法进行最优适应值更新。

步骤5当迭代次数达到最大时，则终止程序，输出需要的KP、KI的最优值，否则重复步骤3，继续寻找。

具体流程示意如图4 所示。

图4 SSA算法优化流程

2.3 整定结果分析

SSA算法是近年来提出的一种新的群体智能优化算法。由图5（a）～（d）可知，SSA 算法在对PID 控制参数KP和KI整定时，具有搜索精度高，收敛速度快以及能够避免局部最优值等优点。

经过SSA 算法整定后，孤岛模式：变流器电压外环PI控制参数设置KP=122.16、KI=0.29，电流内环设置KP1=0.83、KI1=16.44 时，能使系统稳定并有较好的动态响应速度；并网充放电模式：电流环PI 控制参数设置KP1=2 612.27、KI1=998.1 时，输出波形最稳定，谐波含量少；离/并网切换：变流器电压外环PI控制参数设置KP=56.25、KI=0.07，电流内环设置KP1=19.55、KI1=232.45 时，使切换更加平滑，电压更加稳定。

图5 SSA算法整定过程

3 仿真模型

根据上述储能双向变流器工作原理和控制策略的分析，可以在Matlab/Simulink 中搭建仿真模型，具体模型如图6 所示。

整个系统由主电路、控制模块以及脉冲发生模块构成，主电路主要由储能电池、变流器、LC 滤波器、恒功率负载、交流电网和三相断路器组成，作用是将储能电池与交流电网通过变流器连接。PI 控制模块在不同的模式下仿真模型不同。

设置系统交流电源有效值为220 V，频率50 Hz，电池额定电压为700 V，恒功率负载容量为10 kW，滤波电感为5 mH，滤波电容为24 μF。

离/并网切换模式下PI 控制模块部分如图7所示。

图6 系统仿真模型

图7 离/并网切换模式下PI控制模块

该模块主要由电压外环和电流内环构成，将从主电路中采集到的电压、电流值送入到该模块，经过电压外环、电流内环得到正弦调制信号。

并网充、放电模式下PI控制模块如图8 所示。

图8 并网充放电模式下PI控制模块

该模块由电流环构成，通过改变并网电流的方向，使变流器在0.1 s之前将部分电能通过降压整流后向储能电池充电，在0.1 s 后将电池内的电能进行逆变升压供给负荷侧。

4 仿真结果分析

4.1 孤岛运行仿真结果

将2.3 中整定结果代入变流器仿真模型。断开三相电源，让储能变流器工作在孤岛模式下。此时，由储能装置向负载供电，仿真结果如图9（a）、（b）所示。

图9 孤岛运行仿真波形

4.2 并网运行仿真结果

接入三相电源，使变流器工作在并网模式下，此时，电网电压恒定，当微电网发电量大于负载所需电量时，将剩余部分电能储存在畜电池中，当发电量小于负载所需电量时，由储能装置向电网供电，可实现电流的双向传输。

让储能变流器工作在逆变状态，由储能装置向电网放电，0.1 s时切换状态，转为整流模式，由电网对蓄电池充电。仿真结果如图10（a）～（c）及图11（a）～（c）所示。

图10 并网运行放电转充电状态下仿真波形

图11 并网运行充电转放电状态下仿真波形

4.3 离/并网切换仿真结果

在电网的实际运行时，储能双向变流器的运行模式需要在并网或者孤岛模式下转换，系统运行于孤岛模式，在0.1 s时，三相断路器闭合，接入电网，将孤岛模式中的电压外环PI 控制器切除，只留下电流内环，使储能双向变流器工作于并网状态，仿真结果如图12（a）、（b）所示。

图12 离/并网切换仿真波形

由上述仿真结果图中可见，将SSA 算法优化得到的参数代入Simulink仿真，系统均能输出较好的电压、电流波形且系统较为稳定，在充放电模式以及离/并网切换的过程中均表现良好。

5 结 语

为解决储能双向变流器控制参数整定不佳的问题，本文提出了一种基于SSA 算法的储能双向变流器控制参数整定方法。在Matlab/Simulink 中搭建储能双向变流器的仿真模型，针对储能双向变流器不同的运行模式，采用SSA算法对PI控制器进行参数整定工作，并将优化后的参数代入储能双向变流器仿真模型，实验结果表明，SSA 算法优化参数方法具有可靠性高和控制性能好等优点。