鉅大LARGE | 點擊量:2405次 | 2019年09月02日
鋰電池儲能系統充放電的雙閉環自抗擾控制器設計
鄭天文1,劉鋒1,肖先勇2,周業如3,梅生偉1
(1.清華大學電機系 電力系統國家重點實驗室,北京 100084;2.四川大學 電氣信息學院,四川 成都 610065;3.宣城供電公司,安徽 宣城 242000)
摘 要:針對鋰電池儲能系統(battery energy storage system,BESS) 具有非線性、時變、強耦合的特征,以及模型誤差和不確定外擾對系統控制的影響,基于自抗擾控制(active disturbance rejection control,ADRC) 技術對BESS充放電控制策略與實現進行了研究。首先建立了適用于自抗擾控制的BESS數學模型; 然后提出了BESS自抗擾控制一般設計方法; 最后設計了BESS雙閉環自抗擾控制方案,并在 PSCAD/EMTDC 環境中構建了仿真模型,比較分析了采用傳統PI控制和自抗擾控制時BESS的動態性能。仿真結果表明,雙閉環自抗擾控制下的BESS充放電控制,在充電電壓/電流等參考值變化、電網電壓波動以及系統參數變化等工況下,相比傳統PI控制,均具有更好的動態品質和抗擾動能力。
0引言
風能、太陽能等新能源發電是傳統發電形式的重要補充,其在電力能源中所占比例也逐年增加[1]。然而,風電、光伏發電等電源由于自身的間歇性、波動性以及負載的隨機性,會嚴重影響公共聯接點(point of common coupling,PCC)的電能質量和系統穩定。
鋰電池儲能系統(battery energy storage system,BESS)作為可控電源,可實現儲能-電網 之間的能量互動,使新能源并網發電接入更趨穩定,有利于保障 ‘源’-‘網’-‘荷’-‘儲’ 系統功率實時平衡。BESS 不僅可存儲剩余電能,應對電網失電等突發事件,還能配合調度系統,起到削峰填谷 的作用。以BESS為基礎的電力控制、調節與分配,可實現能源合理高效地利用[2-4]。
一般地,BESS的控制設計有如下需求:充電時直流側電壓、電流波動小,沖擊小;放電時交流側并網電流正弦度高,諧波含量低。且在充放電過程中,BESS 需具備較強的抗擾動能力。
目前BESS的控制系統大多基于傳統PI控制,難以滿足上述需求[5-6]。文獻[5]提出了基于PI控制器的儲能系統直流側電壓控制,雖穩態時直流電壓波動較小,但出現了超調現象,有較大沖擊;文獻[6]提出采用雙環PI控制策略實現電池充放電,但并網電流電能質量較差。究其本質,主要是電池儲能系統具有非線性、時變、耦合的特征,基于線性化的 PI控制,難以實現良好的控制效果。在現有關于BESS控制研究中,很少有文獻考慮電池儲能系統的上述特征,尤其是系統等效參數發生變化或外界存在不確定干擾時,控制系統應如何設計,更鮮有提及。理論上,BESS控制屬于一類典型的非線性魯棒控制問題。主要的解決途徑有兩類,一是將其轉化為HJI(hamilton-jacobi-issacs)不等式求解,實現對干擾的抑制[7];二是采用基于受控能量函數的方法,通過設計控制器使得系統能量函數在不確定性條件下的導數為負來實現控制性能的魯棒性[8]。然而,這兩條途徑一般需要受控對象較為準確的動態模型,且較難考慮時變因素的影響。
自抗擾控制(active disturbance rejection control,ADRC)技術是一種針對非線性、時變、耦合和不確定系統的魯棒控制方法[9]。基于 ADRC技術的控制器具有超調小、收斂速度快、精度高、抗干擾能力強和算法簡單等優點。正因如此,ADRC已在電能質量、光伏并網發電以及風力發電系統等領域中得到應用[10-13]。文獻[10-11]分別將自抗擾控制引入動態電壓恢復器和靜止無功發生器,解決了動態響應速度慢和穩態誤差大的問題,提高了系統電能質量;文獻[12]針對光伏并網逆變控制系統的特點,將自抗擾控制器應用到光伏三相并網發電中,提高了并網點電流波形質量,減小了對電網的沖擊;文獻[13]研究了大型風電機組轉速自抗擾控制技術,實現了風速變化時的最大功率點快速跟蹤,提高了風能的捕獲效率。
本文在現有研究基礎上,綜合考慮BESS具有數學模型難以精確獲得且在實際應用中存在不確定干擾等固有屬性,基于自抗擾控制技術,提出了一種不依賴于BESS系統精確數學模型,且能提高BESS控制性能的綜合控制策略。
論文首先介紹了ADRC基本思想和設計原則,然后建立BESS數學模型,并針對其模型特點進行自抗擾控制器設計,提出了BESS的綜合控制策略;最后在不同擾動場景下,比較了傳統PI控制和自抗擾控制的性能,驗證了所提方案的正確性和有效性。
1 ADRC基本原理
ADRC汲取了經典PID控制和現代控制理論的優點,并對PID控制進行了改進。ADRC是一種基于量測的建模,其核心思想是將系統模型的不確定性(內部擾動)和其他不確定性(外部擾動)一起作為 總擾動 ,通過構造擴張狀態觀測器 對總擾動 進行估計并實時補償[9,14-16]。
4)參數選定規則
ADRC參數調整方法一般分為2步:一是把TD、ESO和NLSEF看成獨立的3個部分,分步整定;二是結合NLSEF對ADRC進行整體參數協調整定。依照上述原則整定參數后的ADRC,可保證具有較強的魯棒性[9,15]。
2 BESS建模及ADRC控制器設計
2.1 BESS數學建模
BESS主要包括鋰電池(battery)和并網變換器(power conversion system,PCS)兩部分:其中,前者提供能量,后者傳遞能量。圖2為電池儲能系統結構示意圖。
從BESS的數學模型可以看出,在dq0坐標系下采用電流直接控制的BESS是一個典型的開關非線性、時變、強耦合系統,且系統等效電感參數L難以精確測量,如此則給BESS控制系統的設計帶來了挑戰。
2.2 BESS的ADRC控制器一般設計方法
為提高BESS控制性能,結合其數學模型,設計ADRC控制器如下:
1)模型規范化
為便于設計,首先將式(7)表示的BESS數學模型按照式(1)進行規范化處理為
3 BESS充放電的雙閉環ADRC控制方案
BESS的核心功能是實現能量雙向傳遞,本質是整流充電和逆變放電。為實現電池儲能系統恒壓、恒流充電和指定功率放電的功能,且提高其在電網電壓波動、參考值突變以及系統參數改變等情況下的抗擾動能力,在同步旋轉坐標系下,設計了BESS雙閉環自抗擾控制策略,控制框圖如圖3所示。
4仿真分析
為驗證本文所提方法的正確性和可行性,采用PSCAD/EMTDC軟件搭建BESS仿真平臺,并對比分析采用ADRC和傳統PI控制的控制性能。表1給出了BESS仿真分析相關參數。
4.1 BESS充電
電池儲能系統的充電過程主要考慮恒壓充電和恒流充電兩種運行模式。
4.1.1恒壓充電
工況1:設定充電電壓為550V;在0.1s時刻,假設電網電壓下降至0.9pu,持續時間20ms。此時,采用恒壓充電策略的直流側電壓波形如圖6所示。
圖10為給定充電電流突增時的直流電流波形。在給定值突變時刻,ADRC能迅速感知并軟啟動至新設的參考值(約10ms);而PI控制未能承受參考值突變的擾動,控制量先下調后再緩慢 升至參考值(約50ms)。
從圖6~圖10的分析可知,充電情況下,ADRC相對傳統PI控制,對于直流側電壓/電流的控制性能更為優越,主要體現在:
1)響應速度快,超調量小;
2)穩態時,電壓或電流的波動小;
3)抵抗外界擾動的能力強。
4.2 BESS放電
BESS放電主要體現其與電網的功率交互,故采用指定功率的放電模式。
仿真工況:在0~0.1s,設定有功放電功率為15kW;在0.1~0.2s,有功放電功率設為35kW。無功功率均設為0。規定電流從BESS流向電網為正方向。為方便對比,特將圖11中PI控制獲得的功率曲線向上平移3個單位,如圖11所示。
分析圖12、圖13可知,放電情況下:PI控制時,交流側電流存在較多紋波和畸變(尤其在給定值變化時刻附近);而自抗擾控制得到的交流電流波形更加平滑,諧波含量更少。
5結論
鑒于自抗擾控制技術具有良好的控制性能,本文在建立電池儲能系統數學模型的基礎上,設計了其雙閉環自抗擾充放電控制策略。PSCAD/EMTDC仿真結果表明,與傳統PI控制相比,采用本文控制方案主要具有如下優勢:
1)自抗擾控制技術很好地解決了鋰電池儲能系統在非線性、時變、耦合特性以及不確定干擾下的控制設計問題,所設計的雙閉環自抗擾控制器具有優良的動態響應性能。
2)當受到外界擾動時(如電網電壓波動、參數設定值突變、系統參數改變等),電池儲能系統在雙閉環自抗擾控制下仍能保持良好的控制性能,具有較好的魯棒性。
值得說明的是,本文提出的BESS自抗擾控制策略主要適用于電壓對稱情況。對于三相電壓不平衡及故障條件下的BESS控制研究,將是今后的工作重點。
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