孤島運行光儲微電網控制策略研究

張萬家, 趙 耀

(上海電力大學 電氣工程學院, 上海 200090)

光儲微電網獨立運行時,光伏發電單元和儲能單元通過輸出功率來滿足負荷的功率需求。但是,光伏發電存在不穩定、平衡功率難度大、影響電能質量等問題[1-3]。系統內負荷的波動也會對微電網的穩定運行帶來挑戰。研究發現,通過對系統內變換器采取有效控制策略可以保證系統的電壓頻率穩定[4-5]。

對微電網逆變器采用適當的控制策略是保證系統安全穩定運行的基礎。對于光伏逆變器,通常采用恒功率控制策略保證穩定的功率輸出。文獻[6-7]采用改進的光伏逆變器控制策略提高系統的電能質量。為實現分布式發電機組之間負荷的合理分配,儲能逆變器通常采用下垂控制策略[8]。文獻[9-10]提出自適應的虛擬阻抗用于分配非線性負載的無功功率。文獻[11]通過將虛擬阻抗與二次控制相結合,實現了不匹配饋線阻抗的功率合理分配。以上控制策略都基于PI環節來維持微電網的功率穩定,但是其控制結構復雜,有多個反饋回路,導致動態響應速度慢。

在現有的微電網研究中,通常沒有考慮可再生能源的間歇性,從實際應用的角度,必須考慮能源的間歇性,傳統的線性級聯控制不能有效應對這種波動,因此需要更先進的控制方法來確保微電網系統穩定運行。

近年來,模型預測控制(Model Predictive Control,MPC)被廣泛應用于微電網的控制策略中[12]。在逆變器控制領域,根據控制時域的不同,MPC可以分為連續狀態的連續集模型預測控制(Continuous Control Set-MPC,CCS-MPC)和離散狀態的有限集模型預測控制(Finite Control Set-MPC,FCS-MPC)。相比于CCS-MPC,FCS-MPC無需脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation,PWM)環節,且利用了逆變器的離散特性和開關狀態有限等特點,在電力電子系統中得到了廣泛關注。相比于PI調節的滯后性,FCS-MPC采用主動預測方法,能顯著提高儲能系統的動態響應速度。文獻[13]提出了利用FCS-MPC策略控制儲能系統的變換器來平滑光伏系統輸出和穩定直流母線電壓。文獻[14]將FCS-MPC與下垂控制方法結合,實現了并聯逆變交流微電網的控制,但是該方法沒有考慮新能源波動對系統的影響。文獻[15]提出了一種多步預測的FCS-MPC算法,在兩個周期內保證了所選開關狀態最優,但是沒有具體應用在微電網儲能系統中。文獻[16]采用分布式MPC方法對直流電網中風能和太陽能系統進行協調控制,提高了系統的動態響應速度。文獻[17]提出了一種不使用PI調節器的MPC策略,通過基于模型預測電流控制電池儲能系統的雙向DC-DC變換器,可以平滑可再生能源輸出的波動,同時保持穩定的直流電壓,采用模型預測電壓控制對交直流聯用變換器進行控制,確保微電網與電網之間交流電壓供應穩定,功率流動正常。文獻[18]提出了MPC策略來控制儲能系統的變換器,以平滑光伏輸出和穩定直流總線電壓。但文獻[16-18]采用的MPC均未考慮在系統存在建模誤差或面臨較大擾動的情況下,一個控制周期內的局部尋優算法可能導致控制系統不穩定的問題。

本文以獨立運行的光儲系統為研究對象,提出一種考慮新能源波動的微電網MPC策略。對光儲的DC-DC變換器采用穩壓控制,使儲能系統和光伏系統輸入逆變器前的電壓都穩定在參考值;對儲能逆變器的內環搭建預測模型,并在目標函數中考慮了多步預測,提高了FCS-MPC算法精度以及系統的穩定性。改進后的方法繼承了傳統FCS-MPC 動態性能良好的特點,解決了傳統PI控制動態速度響應慢的問題,改善了系統受到較大擾動或建模存在誤差時所造成的預測偏差的問題。

1 獨立光儲微電網的結構

圖1為本文所研究的光儲微電網系統結構,包含光伏系統、儲能系統以及負荷,各分布式電源經過逆變器接在0.38 kV額定電壓的交流母線上。其中,DG1、DG2表示儲能系統。

圖1 光儲微電網系統結構

光伏電池輸出功率受天氣影響較大,為了保證系統的穩定性,采用最大功率或恒定的功率輸出,因此本文中光伏系統采用基于最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)穩壓的PQ(恒功率)解耦控制。儲能系統的DC-DC變換器采用穩壓控制策略,AC-DC逆變器采用下垂控制與MPC相結合的控制方式,實現對負荷功率的合理分配來維持系統電壓頻率穩定。

在微電網系統中,忽略系統的能量損耗,上述系統輸出功率之間的關系式如下

Pload=Pbat+PPV

(1)

式中:Pload——負荷功率;Pbat——儲能系統輸出功率;PPV——光伏系統輸出功率。

2 光儲微電網控制策略

2.1 光伏控制策略

本文采用的光伏系統控制框圖如圖2所示。其中:UPV、IPV分別為光伏電池輸出的電壓和電流;Pref和Qref分別為有功功率和無功功率參考值;L和C分別為濾波電感和濾波電容;Ud為測量到的直流電壓;SPMW為正弦波脈寬調制(Sine Wave Pulse Width Modulation)。光伏陣列先通過DC-DC變換器升壓,并采用MPPT控制實現對光伏電池輸出功率的控制;DC-AC逆變器采用PQ控制策略為負載提供穩定的功率輸出。采用MPPT控制和PQ控制結合可以提高系統控制的準確度以及光伏發電的利用率。其中,MPPT控制采用擾動觀察法,通過給予輸出電壓小擾動觀測輸出功率的變化趨勢進而不斷調整電壓,使光伏系統輸出功率達到最大值。

圖2 光伏系統控制框圖

圖3 PQ控制框圖

圖3中,令電壓矢量與d軸保持同一方向,所以q軸電壓分量為零,可以得到電流參考值為

(2)

將參考電流與實際電流做差后進行PI控制,并考慮了交叉前饋補償和電壓前饋補償,得到SPWM調制電壓信號,輸出穩定的有功、無功功率。其中d軸和q軸電壓的方程如下

(3)

式中:kp、ki——PI控制器比例、積分環節系數。

2.2 儲能控制策略

2.2.1 穩壓控制

儲能系統的DC-DC變換器采用穩壓控制策略,可以將輸入到逆變器的電壓維持在固定值,有利于維持系統穩定。

儲能穩壓控制框圖如圖4所示。儲能系統采用電壓外環電流內環的雙環控制策略,將參考值Udc_ref與實際值Udc做差之后通過PI控制器,再經過限幅環節得到電流參考值,再與電流實際值Ib做差之后通過PI控制器得到變換器的輸入信號。

圖4 儲能穩壓控制框圖

2.2.2 下垂控制

對于孤島微電網來說,儲能逆變器的控制目標是為負載建立穩定和平衡的輸出電壓。下垂控制無需通信環節,當負荷變化時可以快速準確地分配各個儲能的功率,使系統達到安全穩定的運行狀態。

儲能逆變器采用雙環控制方式。通過采集電感電流和電容電壓進行功率計算,得到有功、無功功率實際值;由式(4)計算電壓、頻率的參考值U、f,再經過限幅環節以及三相電壓合成得到電壓參考值。

(4)

式中:U*——額定電壓;nj、mj——電壓和頻率的下垂控制斜率,j為DG1和DG2的逆變器,j=1,2;

Qj——平均無功功率;

Q*——額定無功功率;

f*——額定頻率;

Pj——平均有功功率;

P*——額定有功功率。

電壓電流雙閉環控制框圖如圖5所示。

圖5 電壓電流雙閉環控制框圖

(5)

(6)

P-f、Q-U的下垂控制策略控制結構復雜,有多個反饋回路和PWM調制環節,導致動態響應速度慢,而且,PI參數整定費時,使得控制器效果不容易實現。在微電網系統出現功率波動時,由于微電網的抗干擾能力較弱,需要儲能系統具有快速響應的能力,因此需要提高儲能系統的調節速度。

2.2.3 模型預測控制

圖6 儲能逆變器MPC控制結構

逆變器有3個分支,每個分支包含2個開關,即S1～S6,可以使用數字1和0分別表示它們的開關狀態。如果上開關斷開,另一個開關接通,則為0;如果上開關接通,另一個開關斷開,則為1。開關的動作影響逆變器的輸出電壓(U0,U1,U2,…,U7),對應有8種可能的開關狀態(000,100,110,010,011,001,101,111)。逆變器的電壓矢量Ui可以表示為

(7)

由于U0和U7的輸出電壓結果相同,可以忽略其中一個,用7個矢量來控制逆變器。這些向量中的每一個都可以用來預測代價函數,使代價函數最小的向量用于在下一個采樣間隔內控制逆變器。

假設3個支路的參數值都相等,LC濾波器電容的動態行為可表示為

(8)

式中:Ui——逆變器電壓矢量的模值。

在式(8)中,將i0視為擾動變量,可由電流傳感器測量或由觀測器估計得出,if和UC為狀態變量,Ui為控制信號。根據式(8),離散時間內的數學模型可以表示為

x(k+1)=Adx(k)+Bdu(k)

(9)

其中:

(10)

式中:Ts——采樣周期。

在MPC中,目標函數用于選擇適當的控制信號。由于孤島微電網需要對輸出電壓進行控制,因此目標函數定義為電容電壓跟蹤誤差的二次函數,以選擇合適的控制信號。目標函數g1可設置為

(11)

式中:UCα(k+1)、UCβ(k+1)——k+1時刻電容電壓的實分量和虛分量。

其中電壓的參考值是由下垂控制得到的。在此目標函數的基礎上,在下一個采樣周期中應用使g1值最小的電壓向量。由于α和β分別被獨立控制,UC可以跟蹤參考值。

在實際計算過程中,當系統存在建模誤差或發生大擾動時,在第k個采樣周期內計算出的最優開關狀態,應用到k+1時刻可能并不是使目標函數最小的開關狀態,但是在k時刻確定的開關狀態在k+1時刻仍繼續使用,從而導致預測值偏離參考值。單步預測的傳統MPC原理如圖7所示。

圖7 單步預測的傳統MPC原理

圖7中,系統在k+2時刻雖然達到了最優狀態,但是k+2時刻輸出的開關狀態均未穿越給定的參考值x*(k),因此在k+4時刻,系統發生發散,偏離參考值更遠。

預測步數太少會導致跟蹤精度不夠,但預測步數越多,控制器計算量就越大,因此本文取儲能電壓的二步長預測值加入目標函數。采用兩步預測控制,在k+1時刻計算出使k+3時刻目標函數最小的開關狀態,并在k+2時刻應用,同時保留一步預測的目標函數,提高模型預測控制精度。多步預測MPC原理如圖8所示。

圖8 多步預測MPC原理

通過預測未來兩個時刻的預測值選擇最優輸出狀態,保證了系統在兩個控制周期內所選輸出狀態最優。因此,多步預測的目標函數gcon如下:

(12)

3 仿真結果分析

3.1 儲能系統穩壓控制策略仿真

在MATLAB/Simulink中進行仿真測試,選取蓄電池模型,設置參考電壓為400 V。按照上述穩壓控制策略搭建DC/DC 變換器及其控制模塊,設置仿真時間為1 s,輸出電壓波形如圖9所示。由圖9可以看出,通過穩壓控制調節儲能輸出電壓,在0.07 s左右便維持在了400 V,具有快速的響應特性,穩定效果良好。

圖9 儲能穩壓控制電壓波形

3.2 光伏系統MPPT仿真測試

在Simulink中搭建光伏系統的仿真模型,設置初始光照強度為2 kW/m2,溫度為25 ℃。在0.5 s時提高光照強度至2.5 kW/m2,1 s時提高溫度至30 ℃,仿真時間設置為1.5 s。仿真測試結果如圖10所示。

圖10 光伏系統MPPT仿真測試結果

由圖10可知,在不到0.1 s的時間內,MPPT控制實現了最大功率的跟蹤,跟蹤速度良好,同時當外界條件發生變化時,在不到0.01 s的時間內MPPT控制實現了準確跟蹤,靈敏度良好。

3.3 儲能逆變器控制策略仿真

根據上述對光伏和儲能系統逆變器的分析,在Simulink仿真平臺搭建光儲微電網系統仿真模型。對傳統的基于電壓外環、電流內環的下垂控制,基于傳統MPC以及基于改進MPC的儲能逆變器控制策略分別進行仿真分析,驗證控制策略的有效性。

聯立式(2)、式(3)、式(5)、式(6)可以得到PQ控制和下垂控制的雙環傳遞函數。設定儲能逆變器參數電容Cf為1.5 mF,電感Lf為0.6 mH。首先根據系統傳遞函數得到PI控制參數初值,再基于經驗法[19],通過實驗最終確定電壓外環、電流內環的PI參數。其中:電壓外環kp=12,ki=0.2;電流內環kp=0.1,ki=0.01。儲能電池容量為350 Ah,逆變器標準電壓為380 V,額定頻率為50 Hz。同理,根據傳遞函數和經驗法得到:光伏逆變器電壓外環PI 參數kp=0.5,ki=10;電流內環PI參數kp=20,ki=200。設定光照充足時光伏電池的輸出功率大于10 kW,光伏PQ控制參考有功功率設為10 kW,參考無功功率設置為零。為了驗證模型在負荷發生改變時的穩定能力,2 s時,DG1的本地負載由(12 kW,3 kVA)增加到(22 kW,4 kVA),DG2的本地負載在4 s時由(23 kW,9 kVA)下降到(13 kW,2 kVA);然后在3 s接通公共負載(15 kW,14 kVA),并在5 s切斷。

光伏系統PQ控制輸出功率波形如圖11所示。

圖11 光伏系統PQ控制輸出功率波形

由圖11可知,仿真開始階段系統有一定波動,在不到0.1 s的時間內完成調節,輸出恒定的有功、無功功率,并且在負荷變化時,仍能保持恒定的功率輸出。

儲能系統輸出的有功功率如圖12所示。由圖12可以看出,采用不同內環控制器下負荷功率的分配情況。通過連接和切斷負荷,體現了該方法的動態性能。相較于傳統的PI控制,采用MPC控制可以更為快速準確地分配負荷功率。相較于傳統MPC控制,采用多步長改進MPC控制可以減小系統最大偏差,提高系統穩定性。

圖12 儲能系統輸出的有功功率

DG1輸出的有功功率在2 s時的放大波形,如圖13所示。由圖13可知:基于PI控制的傳統儲能逆變器控制經過15 ms輸出穩定的功率,且最大輸出功率偏差為2.5 kW;傳統MPC控制經過4 ms可以輸出穩定的功率,輸出功率最大偏差為1.9 kW;而改進MPC控制經過5 ms即可輸出穩定的功率,輸出功率最大偏差為1.5 kW。與基于傳統MPC的下垂控制策略相比,多步長改進MPC控制策略減小了系統的最大偏差,提高了系統的穩定性,但略微增加了調節時間。與基于PI的傳統雙閉環控制相比,多步長改進MPC控制下的儲能系統的動態響應速度提升很大,提高了系統平抑微電網功率波動的能力。由于儲能系統輸出無功功率呈現出類似規律,因此不再繪制。

圖13 2 s時DG1輸出有功功率的放大波形

采用不同內環控制器時交流母線電壓有效值和系統頻率波形如圖14所示。

圖14 交流母線線電壓有效值和系統頻率波形

下垂控制會產生穩態誤差,使母線電壓和頻率不能恢復到初始狀態。通過連接和切斷負荷,可檢驗各方法動態性能和控制策略的穩定性。由圖14可知,負荷發生較大變化時,電壓和頻率都能夠迅速恢復到允許范圍。因此,本文所提控制策略對于各種敏感性負載負荷變化時,電能質量能夠符合要求。

4 結 語

本文針對傳統PI雙閉環控制存在動態響應速度不佳以及微電網穩定性差等問題,提出了一種適用于孤島儲能逆變器的改進MPC方法。采用穩壓控制策略,保證輸入逆變器的電壓為恒定值,減小輸入電壓波動對控制策略的影響,對儲能逆變器采用基于多步預測MPC的下垂控制,實現對負荷功率的合理分配,提高系統的動態響應速度和穩定性,保證系統具有良好的電能質量。