鋰電池儲能系統(tǒng)充放電的雙閉環(huán)自抗擾控制器設計

鄭天文1，劉鋒1，肖先勇2，周業(yè)如3，梅生偉1

(1.清華大學電機系 電力系統(tǒng)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(tǒng)(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(tǒng)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(xiàn)進行了研究。首先建立了適用于自抗擾控制的BESS數(shù)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(huán)自抗擾控制方案，并在 PSCAD/EMTDC 環(huán)境中構建了仿真模型，比較分析了采用傳統(tǒng)PI控制和自抗擾控制時BESS的動態(tài)性能。仿真結果表明，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，均具有更好的動態(tài)品質和抗擾動能力。

　　0引言

　　風能、太陽能等新能源發(fā)電是傳統(tǒng)發(fā)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(fā)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(lián)接點(point of common coupling，PCC)的電能質量和系統(tǒng)穩(wěn)定。

　　鋰電池儲能系統(tǒng)(battery energy storage system，BESS)作為可控電源，可實現(xiàn)“儲能－電網(wǎng)” 之間的能量互動，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)功率實時平衡。BESS 不僅可存儲剩余電能，應對電網(wǎng)失電等突發(fā)事件，還能配合調度系統(tǒng)，起到“削峰填谷” 的作用。以BESS為基礎的電力控制、調節(jié)與分配，可實現(xiàn)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(wǎng)電流正弦度高，諧波含量低。且在充放電過程中，BESS 需具備較強的抗擾動能力。

　　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[5]提出了基于PI控制器的儲能系統(tǒng)直流側電壓控制，雖穩(wěn)態(tài)時直流電壓波動較小，但出現(xiàn)了超調現(xiàn)象，有較大沖擊；文獻[6]提出采用雙環(huán)PI控制策略實現(xiàn)電池充放電，但并網(wǎng)電流電能質量較差。究其本質，主要是電池儲能系統(tǒng)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(xiàn)良好的控制效果。在現(xiàn)有關于BESS控制研究中，很少有文獻考慮電池儲能系統(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，控制系統(tǒng)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(xiàn)對干擾的抑制[7]；二是采用基于受控能量函數(shù)的方法，通過設計控制器使得系統(tǒng)能量函數(shù)在不確定性條件下的導數(shù)為負來實現(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確的動態(tài)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(tǒng)的魯棒控制方法[9]?；?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(yōu)點。正因如此，ADRC已在電能質量、光伏并網(wǎng)發(fā)電以及風力發(fā)電系統(tǒng)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(tài)電壓恢復器和靜止無功發(fā)生器，解決了動態(tài)響應速度慢和穩(wěn)態(tài)誤差大的問題，提高了系統(tǒng)電能質量；文獻[12]針對光伏并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)的特點，將自抗擾控制器應用到光伏三相并網(wǎng)發(fā)電中，提高了并網(wǎng)點電流波形質量，減小了對電網(wǎng)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(xiàn)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(xiàn)有研究基礎上，綜合考慮BESS具有數(shù)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(tǒng)精確數(shù)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(shù)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(tǒng)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(jīng)典PID控制和現(xiàn)代控制理論的優(yōu)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(tǒng)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(tài)觀測器” 對“總擾動” 進行估計并實時補償[9，14－16]。

　　4)參數(shù)選定規(guī)則

　　ADRC參數(shù)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(shù)協(xié)調整定。依照上述原則整定參數(shù)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(shù)學建模

　　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)結構示意圖。

　　從BESS的數(shù)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(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)的設計帶來了挑戰(zhàn)。

　　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(shù)學模型，設計ADRC控制器如下：

　　1)模型規(guī)范化

　　為便于設計，首先將式(7)表示的BESS數(shù)學模型按照式(1)進行規(guī)范化處理為

　　3 BESS充放電的雙閉環(huán)ADRC控制方案

　　BESS的核心功能是實現(xiàn)能量雙向傳遞，本質是整流充電和逆變放電。為實現(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、參考值突變以及系統(tǒng)參數(shù)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(huán)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(tǒng)PI控制的控制性能。表1給出了BESS仿真分析相關參數(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(wǎng)電壓下降至0.9pu，持續(xù)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(tǒng)PI控制，對于直流側電壓/電流的控制性能更為優(yōu)越，主要體現(xiàn)在：

　　1)響應速度快，超調量小；

　　2)穩(wěn)態(tài)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(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(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(tǒng)數(shù)學模型的基礎上，設計了其雙閉環(huán)自抗擾充放電控制策略。PSCAD/EMTDC仿真結果表明，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)自抗擾控制技術很好地解決了鋰電池儲能系統(tǒng)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(huán)自抗擾控制器具有優(yōu)良的動態(tài)響應性能。

　　2)當受到外界擾動時(如電網(wǎng)電壓波動、參數(shù)設定值突變、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。

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