鄭天文1，劉鋒1，肖先勇2，周業(yè)如3，梅生偉1

(1.清華大學(xué)電機(jī)系 電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.四川大學(xué) 電氣信息學(xué)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(tǒng)(battery energy storage system，BESS) 具有非線性、時(shí)變、強(qiáng)耦合的特征，以及模型誤差和不確定外擾對系統(tǒng)控制的影響，基于自抗擾控制(active disturbance rejection control，ADRC) 技術(shù)對BESS充放電控制策略與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。首先建立了適用于自抗擾控制的BESS數(shù)學(xué)模型； 然后提出了BESS自抗擾控制一般設(shè)計(jì)方法； 最后設(shè)計(jì)了BESS雙閉環(huán)自抗擾控制方案，并在 PSCAD/EMTDC 環(huán)境中構(gòu)建了仿真模型，比較分析了采用傳統(tǒng)PI控制和自抗擾控制時(shí)BESS的動(dòng)態(tài)性能。仿真結(jié)果表明，雙閉環(huán)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(wǎng)電壓波動(dòng)以及系統(tǒng)參數(shù)變化等工況下，相比傳統(tǒng)PI控制，均具有更好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和抗擾動(dòng)能力。

0引言

風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電是傳統(tǒng)發(fā)電形式的重要補(bǔ)充，其在電力能源中所占比例也逐年增加[1]。然而，風(fēng)電、光伏發(fā)電等電源由于自身的間歇性、波動(dòng)性以及負(fù)載的隨機(jī)性，會(huì)嚴(yán)重影響公共聯(lián)接點(diǎn)(point of common coupling，PCC)的電能質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定。

鋰電池儲能系統(tǒng)(battery energy storage system，BESS)作為可控電源，可實(shí)現(xiàn)儲能－電網(wǎng) 之間的能量互動(dòng)，使新能源并網(wǎng)發(fā)電接入更趨穩(wěn)定，有利于保障 ‘源’－‘網(wǎng)’－‘荷’－‘儲’ 系統(tǒng)功率實(shí)時(shí)平衡。BESS 不僅可存儲剩余電能，應(yīng)對電網(wǎng)失電等突發(fā)事件，還能配合調(diào)度系統(tǒng)，起到削峰填谷 的作用。以BESS為基礎(chǔ)的電力控制、調(diào)節(jié)與分配，可實(shí)現(xiàn)能源合理高效地利用[2－4]。

一般地，BESS的控制設(shè)計(jì)有如下需求：充電時(shí)直流側(cè)電壓、電流波動(dòng)小，沖擊??；放電時(shí)交流側(cè)并網(wǎng)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(qiáng)的抗擾動(dòng)能力。

目前BESS的控制系統(tǒng)大多基于傳統(tǒng)PI控制，難以滿足上述需求[5－6]。文獻(xiàn)[5]提出了基于PI控制器的儲能系統(tǒng)直流側(cè)電壓控制，雖穩(wěn)態(tài)時(shí)直流電壓波動(dòng)較小，但出現(xiàn)了超調(diào)現(xiàn)象，有較大沖擊；文獻(xiàn)[6]提出采用雙環(huán)PI控制策略實(shí)現(xiàn)電池充放電，但并網(wǎng)電流電能質(zhì)量較差。究其本質(zhì)，主要是電池儲能系統(tǒng)具有非線性、時(shí)變、耦合的特征，基于線性化的 PI控制，難以實(shí)現(xiàn)良好的控制效果。在現(xiàn)有關(guān)于BESS控制研究中，很少有文獻(xiàn)考慮電池儲能系統(tǒng)的上述特征，尤其是系統(tǒng)等效參數(shù)發(fā)生變化或外界存在不確定干擾時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)如何設(shè)計(jì)，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(zhuǎn)化為HJI(hamilton－jacobi－issacs)不等式求解，實(shí)現(xiàn)對干擾的抑制[7]；二是采用基于受控能量函數(shù)的方法，通過設(shè)計(jì)控制器使得系統(tǒng)能量函數(shù)在不確定性條件下的導(dǎo)數(shù)為負(fù)來實(shí)現(xiàn)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(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)模型，且較難考慮時(shí)變因素的影響。

自抗擾控制(active disturbance rejection control，ADRC)技術(shù)是一種針對非線性、時(shí)變、耦合和不確定系統(tǒng)的魯棒控制方法[9]?；?ADRC技術(shù)的控制器具有超調(diào)小、收斂速度快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)和算法簡單等優(yōu)點(diǎn)。正因如此，ADRC已在電能質(zhì)量、光伏并網(wǎng)發(fā)電以及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域中得到應(yīng)用[10－13]。文獻(xiàn)[10－11]分別將自抗擾控制引入動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器和靜止無功發(fā)生器，解決了動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢和穩(wěn)態(tài)誤差大的問題，提高了系統(tǒng)電能質(zhì)量；文獻(xiàn)[12]針對光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，將自抗擾控制器應(yīng)用到光伏三相并網(wǎng)發(fā)電中，提高了并網(wǎng)點(diǎn)電流波形質(zhì)量，減小了對電網(wǎng)的沖擊；文獻(xiàn)[13]研究了大型風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速自抗擾控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)速變化時(shí)的最大功率點(diǎn)快速跟蹤，提高了風(fēng)能的捕獲效率。

本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，綜合考慮BESS具有數(shù)學(xué)模型難以精確獲得且在實(shí)際應(yīng)用中存在不確定干擾等固有屬性，基于自抗擾控制技術(shù)，提出了一種不依賴于BESS系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)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(shè)計(jì)原則，然后建立BESS數(shù)學(xué)模型，并針對其模型特點(diǎn)進(jìn)行自抗擾控制器設(shè)計(jì)，提出了BESS的綜合控制策略；最后在不同擾動(dòng)場景下，比較了傳統(tǒng)PI控制和自抗擾控制的性能，驗(yàn)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(jīng)典PID控制和現(xiàn)代控制理論的優(yōu)點(diǎn)，并對PID控制進(jìn)行了改進(jìn)。ADRC是一種基于量測的建模，其核心思想是將系統(tǒng)模型的不確定性(內(nèi)部擾動(dòng))和其他不確定性(外部擾動(dòng))一起作為 總擾動(dòng) ，通過構(gòu)造擴(kuò)張狀態(tài)觀測器 對總擾動(dòng) 進(jìn)行估計(jì)并實(shí)時(shí)補(bǔ)償[9，14－16]。

4)參數(shù)選定規(guī)則

ADRC參數(shù)調(diào)整方法一般分為2步：一是把TD、ESO和NLSEF看成獨(dú)立的3個(gè)部分，分步整定；二是結(jié)合NLSEF對ADRC進(jìn)行整體參數(shù)協(xié)調(diào)整定。依照上述原則整定參數(shù)后的ADRC，可保證具有較強(qiáng)的魯棒性[9，15]。

2 BESS建模及ADRC控制器設(shè)計(jì)

2.1 BESS數(shù)學(xué)建模

BESS主要包括鋰電池(battery)和并網(wǎng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

從BESS的數(shù)學(xué)模型可以看出，在dq0坐標(biāo)系下采用電流直接控制的BESS是一個(gè)典型的開關(guān)非線性、時(shí)變、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，且系統(tǒng)等效電感參數(shù)L難以精確測量，如此則給BESS控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。

2.2 BESS的ADRC控制器一般設(shè)計(jì)方法

為提高BESS控制性能，結(jié)合其數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)ADRC控制器如下：

1)模型規(guī)范化

為便于設(shè)計(jì)，首先將式(7)表示的BESS數(shù)學(xué)模型按照式(1)進(jìn)行規(guī)范化處理為

3 BESS充放電的雙閉環(huán)ADRC控制方案

BESS的核心功能是實(shí)現(xiàn)能量雙向傳遞，本質(zhì)是整流充電和逆變放電。為實(shí)現(xiàn)電池儲能系統(tǒng)恒壓、恒流充電和指定功率放電的功能，且提高其在電網(wǎng)電壓波動(dòng)、參考值突變以及系統(tǒng)參數(shù)改變等情況下的抗擾動(dòng)能力，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，設(shè)計(jì)了BESS雙閉環(huán)自抗擾控制策略，控制框圖如圖3所示。

4仿真分析

為驗(yàn)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(tǒng)PI控制的控制性能。表1給出了BESS仿真分析相關(guān)參數(shù)。

4.1 BESS充電

電池儲能系統(tǒng)的充電過程主要考慮恒壓充電和恒流充電兩種運(yùn)行模式。

4.1.1恒壓充電

工況1：設(shè)定充電電壓為550V；在0.1s時(shí)刻，假設(shè)電網(wǎng)電壓下降至0.9pu，持續(xù)時(shí)間20ms。此時(shí)，采用恒壓充電策略的直流側(cè)電壓波形如圖6所示。

圖10為給定充電電流突增時(shí)的直流電流波形。在給定值突變時(shí)刻，ADRC能迅速感知并軟啟動(dòng)至新設(shè)的參考值(約10ms)；而PI控制未能承受參考值突變的擾動(dòng)，控制量先下調(diào)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(tǒng)PI控制，對于直流側(cè)電壓/電流的控制性能更為優(yōu)越，主要體現(xiàn)在：

1)響應(yīng)速度快，超調(diào)量小；

2)穩(wěn)態(tài)時(shí)，電壓或電流的波動(dòng)?。?/p>

3)抵抗外界擾動(dòng)的能力強(qiáng)。

4.2 BESS放電

BESS放電主要體現(xiàn)其與電網(wǎng)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(shè)定有功放電功率為15kW；在0.1～0.2s，有功放電功率設(shè)為35kW。無功功率均設(shè)為0。規(guī)定電流從BESS流向電網(wǎng)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(gè)單位，如圖11所示。

分析圖12、圖13可知，放電情況下：PI控制時(shí)，交流側(cè)電流存在較多紋波和畸變(尤其在給定值變化時(shí)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(jié)論

鑒于自抗擾控制技術(shù)具有良好的控制性能，本文在建立電池儲能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了其雙閉環(huán)自抗擾充放電控制策略。PSCAD/EMTDC仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)PI控制相比，采用本文控制方案主要具有如下優(yōu)勢：

1)自抗擾控制技術(shù)很好地解決了鋰電池儲能系統(tǒng)在非線性、時(shí)變、耦合特性以及不確定干擾下的控制設(shè)計(jì)問題，所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)自抗擾控制器具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

2)當(dāng)受到外界擾動(dòng)時(shí)(如電網(wǎng)電壓波動(dòng)、參數(shù)設(shè)定值突變、系統(tǒng)參數(shù)改變等)，電池儲能系統(tǒng)在雙閉環(huán)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(diǎn)。

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