基于解耦自抗扰控制的光伏并网稳定研究及应用

刘会强，慕腾，邢华栋，武海燕，刘建强，雷轲，郭琪

LIUHuiqiang，MUTeng，XINGHuadong，WUHaiyan，LIUJianqiang，LEIKe，GUOQi

（内蒙古电力科学研究院，呼和浩特010020）

（Inner Mongolia Electric Power Academy，Hohhot 010020，China）

0 引言

随着碳达峰、碳中和目标的落实推进，需构建以可再生能源为主体的新型能源系统。基于特高压交直流联网网格化体系的低碳能源互联网建设，为光伏发电等绿色能源渐进取代一次能源创造了技术经济条件。高密度可再生能源富集地如大蒙西地区、宁夏等局部大电网光伏并网渗透率已提升至48%。具备低惯量间歇扰动性的大容量高比例光伏电站接入非线性弱阻尼送出薄弱网架情况下，因系统阻尼特性能力被弱化引发的低频振荡等动态频率稳定性问题成为制约绿色能源规模化装机与接入的关键性因素［1-4］。逆变器大容量电容侧并联附加化学电池储能系统控制的静止无功发生器（STATCOM-BESS），扩展后实现了与并入电网间进行功率自由度的灵活双向交换［5-6］。因此，在光伏电站配置STATCOM-BESS提升无功电压控制能力的基础上附加相应的控制策略可以提高系统稳定性。

近年来，提升高渗透率光伏并网稳定性领域的学者开展了大量研究工作。文献［7］采用多维度贝叶斯K-medoids模型更新光伏无功功率附加控制指令参考权重值，以振荡集中式模型聚类特征的阻尼控制器抑制了非预期波动产生的区域间振荡。于同步机组侧加装电力系统稳定器（PSS）是提升系统正阻尼转矩的最常规措施［8］。文献［9］延伸PSS原理采集追踪输电联络线有功功率过滤的微分低延迟信号作为光伏电站阻尼控制策略，验证了电站功率跟踪自适应边界模式下响应阻尼控制调节需求的能力。由此可知，设计光伏电站自身功率协同附加阻尼控制策略可以提升大规模高渗透光伏并网的稳定性。

由于并网光伏需具有即时无功控制调整能力来保证电能质量，若电站附加高灵敏度功率控制能力来完善系统大阻尼特性极易引发过电压等暂态稳定性问题。而广泛运用补偿配置于光伏电站的STATCOM-BESS，在提升优化并网系统电压质量的同时，协调控制其对系统无功响应需求可以弱化一次设备对并网系统非相关性干扰。因此通过具有四象限正负双向运行调节能力的STATCOM-BESS双环交叉解耦结构附加控制器改善系统阻尼。文献［10］将基于埃米尔交叉神经轨迹法的功率插值预测结合电压空间矢量调制（SVPWM）技术构成STATCOM/BESS阻尼控制器，积极响应动态功率非延迟跟踪补偿效果，提升了系统稳定性。文献［11-12］设计基于链式核电状态的STATCOM-BESS解耦拓扑的电流内环闭合阻尼控制回路并优化了控制器电流信号标准值参数，然后仿真验证了在确保电能质量下风火打捆系统抑制次同步振荡的可靠性、时效性。

本文分析推理了双环解耦均衡反馈拓扑形式下，STATCOM-BESS附加改进粒子群参数响应的自辨识控制器增强系统阻尼转矩的机理，设计了性能优越的粒子群-自抗扰附加阻尼控制器，通过具备二维维度的四象限运行能力的STATCOM-BESS附加粒子群自辨识扰动响应控制器，实现阻尼控制。最后，基于国际电气和电子工程师协会（IEEE）推荐的4机2区域系统仿真验证了所设计控制策略的有效性。

1 自抗扰控制原理

自抗扰控制器（ADRC）是广泛应用于海洋船舶、军事航空航天等极重要工业领域的装置［13］。控制器以目标系统初始化值v0、系统末环输出值y和前一级中环控制值u为输入对象。ADRC自辨识所控对象并补偿系统内因和外因因子的非线性扰动，具有递进辨识控制环完整周密且鲁棒性强的优点。递进自辨识ADRC结构如图1所示。

图1中递进自辨识ADRC由跟踪初始值的分量微分器（TD）、扰动因子状态扩张采集器（ESO）、非线性误差递进反馈模块（NLSEF）和扰动估计补偿组成，算法如下。

图1 递进自辨识ADRC结构Fig.1 Structureof an improved self-identified ADRC

（1）TD跟踪所控目标系统初始化值v0，分量后得递进输入v1及递进微分信号值v2，即

式中：r0为速度因子；h0为滤波因子；h为仿真步长。fhan(e0，v2，r0，h0)函数算法为

（2）所控系统输出值y和独立扰动输入因子u通过ESO得到干扰因子扩量后的状态变量z1，z2，z3，即

式中：β01，β02，β03为一组参数；δ为线性段区间的长度；α（α1，α2）为幂函数，一般在（0，1］内取值。

（3）非线性误差递进反馈模块，根据系统递进输入和扩量状态值差值e1，e2计算得出误差递进反馈控制量u0，即

式中：p为一组参数；k(e1，e2，p)为关于e1，e2，p的函数。

本文误差递进控制量采用u0=-fhan(e1，e2，r，h1)的非线性反馈，其中r为控制函数增益，h1为控制函数速度因子。

（4）前级递进补偿误差反馈控制量u0通过扩量状态因子z3决定控制量，即

式中：b0为决定内外扰动因子补偿程度的补偿因子。

控制器完整算法为

式中：x*为设定值；x为反馈量；z1为x的跟踪信号；z2为观测值；u为控制量；kP为反馈控制律比例系数；参数β01，β02为状态误差的反馈增益。所控对象主要通过β01，β02来优化调节系统的控制性能。一般取β01=1/h，β02=1/(5h2)［14］。

2 STATCOM-BESS附加阻尼控制器设计

2.1电压型STATCOM-BESS原理结构

随着柔性交直流混连输电电网建设，以及泛在互联电力物联网等概念的提出，对目前电网技术经济运行水平有了更深层次的要求［15-17］。为了响应多样化电能质量需求提升的同时保障大电网的坚强可靠性，包含蓄电池储能的静止无功补偿器（STATCOM）已应用到光伏新能源接入、电力系统稳定控制等领域；STATCOM在平滑连续步进式调整输出无功功率的基础上，依托其储能装置可以达到有功功率正反调节，实现有功、无功灵活多样性补偿，从而改善电能质量。

本文采用的STATCOM-BESS为逆变桥式电压型DC/AC（直流/交流）结构，如图2所示。图中uca，ucb，ucc和ia，ib，ic分别为系统侧三相电压及三相电流；udc，idc为直流侧电压及电流；i1为蓄电池电流。逆变电路中电子器件绝缘栅双极型晶体管（IGBT）并联二极管以构建续流电路。其化学电池储能单元并联于无功补偿器直流侧，装置经串联电抗器过滤电网谐波后接入电网。其单相等效电路如图3所示。图中Ug为STATCOM等效电压源；U为系统侧电压；R，X分别为连接电阻和电感；I为输出电流。

图2 STATCOM-BESS结构Fig.2 Structureof a STATCOM-BESS

图3 STATCOM-BESS单相等效电路Fig 3 Single-phase equivalent circuit of a STATCOM-BESS

依据电路原理得

设置电网参考电压为Ug，Ug和U间相角差为δ，则有

由式（8）—（9）得

STATCOM-BESS输出复功率表示为

不考虑开关及线路损耗R，整理式（8）—（11）得

由式（12）可知，调节δ在[0，π]区间，P＜0，STATCOM-BESS发出有功功率，工作在逆变状态；若δ在[π，2π]区间，P＞0，STATCOM-BESS工作在整流状态。此外，调节Ug与Ucosδ差值可以达到STATCOM-BESS吸收或发出无功功率的作用，即Ug＜Ucosδ时，Q＜0，输出容性无功功率；反之，输出感性无功功率。

2.2 STATCOM-BESS附加阻尼控制原理

配置STATCOM-BESS的光伏电站并网电路如图4所示。图中G1为同步发电机组；G2为无穷大系统；Ug为光伏电站并网点电压；E′为G1的暂态电势即标准电压；U为G2端电压；θ为E′与Ug的相角差；δ为E′与U的相角差；x1，x2为线路电抗；Pg，Qg分别为光伏侧有功及无功出力。

图4 配置STATCOM-BESS的光伏电站并网电路Fig.4 Grid connected circuit of a PV power station with STATCOM-BESS

具备随机间歇性质的光伏电站重新分配了系统潮流流动及电能质量水平，弱化了由原同步机系统维持的阻尼特性，并对暂态稳定产生新的冲击干扰。受各类自然光照环境制约的光伏逆变器功率控制输出的能量调节极限较小，且会派生扰动因子。由阻尼及功率关系机理可知，在相关条件下控制调整与系统交换的无功功率可起到利用阻尼平抑功率振荡的作用［18-19］。STATCOM-BESS可以通过双向功率交换连续动态地调节系统的无功功率，更加线性平滑地调节系统电压。鉴于此，基于响应光伏电站无功需求配置的STATCOM-BESS通过控制其二维空间功率运行边界条件实现增强大电网阻尼水平，改善优化系统阻尼特性能力，抑制功率振荡。

G1功率输出分别表示为

式中：PG为机组有功出力；QG为机组无功出力。

不计同步机励磁及调速系统的作用，二阶经典模型的同步机小扰动量方程为

式中：HG为转动惯量；D为阻尼；p1为阶数。

根据并网系统功率平衡关系得到

为方便研究，视STATCOM-BESS与电网无功功率交换只对接入点电压Ug有影响，对式（13）求小扰动量得

STATCOM-BESS电流、电压变量经Park变换的d轴与q轴耦合控制，在其内环电流控制环控制的比例积分（PI）控制器输出值上增加前馈补偿项进行解耦控制，可得

式中：R等值STATCOM-BESS内能量消耗的线性小电阻；L为STATCOM-BESS接入电网连接的等效电感；idref，iqref为d，q轴 电 流 参 考 值；KP2，KI2为STATCOM-BESS内环电流控制的PI控制器的比例和积分系数。系统并网点电压与参考值的差为q轴电流参考值iqref，满足

式中：KP1，KI1分别为装置外环q轴PI控制器的比例系数、积分系数；Ugref为参考电压；S为积分因子。

简化后的一阶自辨识内外扰动因子的自抗扰控制器为

式中：KP为比例系数；b0为干扰因子；ΔX为输入扰动；s为拉普拉斯算子。

STATCOM-BESS装置附加ADRC作用下动态无功功率二维四象限空间运行的电网电压Ug幅值增量为ΔUg。结合式（16）、式（19）可知，注入电网无功功率ΔQv改变并网点处电压Ug，有

STATCOM-BESS装置附加阻尼控制器输入为系统角频率变化量Δω，本文电站入网汇集点（PCC）测得的角频率变化范围视为发电机角频率的变化量，STATCOM-BESS输出的有功功率扰动增量为

式中：km为有功阻尼控制系数。则

对式（14）求小扰动量，有

联立求得小扰动量方程为

式中：

由式（25）可知，调节整定控制器β01，β02，b0及kp的值在合理区间内，在光伏电站配置的具备二维坐标范围内功率调节功能的STATCOM-BESS附加自辨识扰动控制器，通过无功控制效能显著改善了系统阻尼特性。设置有功阻尼控制器值km＞0，系统特征根轨迹进一步向左移动，抑制了功率振荡，增强了系统的稳定性。

2.3 基于粒子群的STATCOM-BESS附加阻尼控制器设计

STATCOM-BESS链式双电平控制结构附加自辨识扰动因子的阻尼控制器对无功功率进行二维坐标平面内调制，可以改善并保证系统的阻尼质量水平。具备电流解耦控制功能的STATCOM-BESS内环附加自辨识扰动因子的阻尼控制器如图5所示。其中：id-ADRC，iq-ADRC为阻尼控制器输出的附加阻尼电流；idref，iqref为d轴和q轴参考电流；PLL为锁相环；SPWM为脉宽调制技术。功率控制附加作用后，差值经STATCOM-BESS的PI控制器得到内环电流参考值，作为链式双电平控制输入，进行无功功率动态调节和阻尼功率振荡。

图5 具备电流解耦控制功能的STATCOM-BESS内环附加自辨识扰动因子的阻尼控制器结构Fig.5 Structureof STATCOM-BESSwith current decoupling control and disturbanceself-identified ADRC attached in its inner ring

研究表明，传统自抗扰控制器非线性状态误差反馈的参数｛β01，β02，β03｝对控制器性能影响较大，一般需要通过手动调整来满足具体的控制要求，本文提出通过寻优ADRC中间及误差变量自适应逼近有效值进行参数在线实时响应。

PCC处角速度偏差Δω为自辨识阻尼控制器采集输入信号；Δω经微分器得到分量后的初始值跟踪因子，然后在扰动因子闭环反馈扩张状态采集后通过非线性误差递进反馈模块及扰动估计补偿b0，经粒子群迭代优化输出得到附加阻尼相应电流id-ADRC和iq-ADRC作为STATCOM-BESS控制器附加输入，达到改善阻尼质量，抑制功率振荡的目的。

设置粒子群先从全局搜索，然后伴随迭代进程按比例减小以提高寻优精度。惯性权重Wn定义为

式中：Wstart为初始惯性系数，通常为［0.80，1.05］；Wend为最大迭代次数时的惯性系数，通常为0.95；n为当前迭代次数；nmax为最大迭代次数；惯性权重Wn取值范围为［0.95，1.05］。算法以控制目标的中间变量和ADRC误差值为输入，通过反复迭代找到最优值｛β01，β02，β03｝，控制器以最优值作为输入对固有参数进行刷新，实现自辨识控制器实时参数的在线调整。粒子群-自抗扰控制（PSO-ADRC）算法流程如图6所示。PSO-ADRC控制器结构示意如图7所示。图中u为中间变量，iPSO-ADRC为控制器输出，e为误差。

图6 PSO-ADRC算法流程Fig.6 PSO-ADRC algorithm

图7 PSO-ADRC控制器结构示意Fig.7 Structure of PSO-ADRC

3 仿真分析

光伏电站配置STATCOM-BESS接入的2区域4机系统［20-21］如图8所示，其中光伏电站经逆变后与STATCOM-BESS装置通过母线6并入电网，设计的控制器输入信号为系统角速度偏差Δωs。光伏发电站主要参数见表1。STATCOM-BESS参数见表2。光伏电站正常运行方式下最大有功功率为250 MW。简化分析，假定电站辐照强度为800 W/m2，同步发电机组未装设PSS，机组容量900 MW，正常运行方式下有功功率为500 MW。区域1向区域2的传输功率正常为205 MW。

表1 光伏发电站主要参数Tab.1 Main parameters of the PV power station

表2 STATCOM-BESS参数Tab.2 Parameters of the STATCOM-BESS

图8 光伏电站配置STATCOM-BESS接入的2区域4机系统Fig.8 PV power station equipped with STATCOM-BESS connected to machine 4 in area 2

3.1正常运行方式STATCOM-BESS附加控制仿真

光伏电站接入的大区域电网参照正常方式运行，仿真联络线在2.00 s发生三相短路故障，0.05 s后切除故障。STATCOM-BESS有无附加PSOADRC下，联络线和发电机G2机组的有功功率如图9—10所示，并网点母线6的电压如图11所示。

由图9—10可知，大区域电网在正常运行方式下，STATCOM-BESS装置附加PSO-ADRC通过其二维坐标平滑动态无功调节改善了接入系统的阻尼特性，联络线功率基本可以在10 s内得到平抑，及时减小了功率振荡时间。由图11可知，STATCOMBESS改进粒子群自辨识控制器积极响应阻尼扰动因子相关值，避免了电网电压的剧烈波动。

图9 STATCOM-BESS有无附加PSO-ADRC下联络线有功功率Fig.9 Activepower of the linking lineinstalled STATCOMBESSwith or without PSO-ADRC

图10 STATCOM-BESS有无附加PSO-ADRC下发电机G 2机组有功功率Fig.10 Activepower of G2 equipped with STATCOM-BESS with or without PSO-ADRC

图11 并网点母线6电压响应曲线Fig.11 Voltageresponsecurveof thebus 6 at grid-connection point

3.2 光伏电站变出力STATCOM-BESS附加控制仿真

光伏电站并网功率分别设定为250 MW和350 MW，研究STATCOM-BESS动态响应效果；仿真3.1节同等故障且自辨识阻尼控制器参数不变，变出力方式下发电机G2机组有功功率如图12所示，并网点电压如图13所示。

图12 变出力方式下发电机G 2机组有功功率Fig.12 Active power of G2 under variableoutput mode

图13 变出力方式下母线电压响应曲线Fig.13 Voltageresponsecurveof thebus with variableoutput

由图12—13可知，运行在光伏电站变出力方式下，随着光伏并网容量的增加，STATCOM-BESS附加粒子群自辨识阻尼控制器通过其良好的自抗扰机制，增强了对邻近机组的平抑功率振荡能力和平息振荡时间。同时，STATCOM-BESS无功电压调节能力也得到显著提升。

3.3 ADRC控制和PSO-ADRC控制对比仿真

设置区域间联络线在2.00 s时发生持续时间为0.05 s的三相短路故障。STATCOM-BESS装置附加传统ADRC阻尼控制和基于粒子群改进的自辨识阻尼控制PSO-ADRC情况下的联络线功率如图14所示。不同控制方式下发电机G2机组的有功功率如图15所示。

图14 ADRC和PSO-ADRC控制效果对比Fig.14 Control effect comparison of ADRC and PSO-ADRC mode

图15 ADRC和PSO-ADRC控制方式下发电机G2机组的有功功率Fig.15 Activepower of G2 under ADRC and PSO-ADRC control mode

由图14—15结合控制器原理可得，传统ADRC控制器因其反馈修正非线性参数较冗余，难以动态更新，振荡在17.00 s后才摇摆趋于稳定状态；而基于粒子群改进的自辨识扰动因子的阻尼控制器能在较短的有效时间内使系统恢复到稳定状态，对平抑联络线功率振荡响应有显著效果。

由此可知本文设计的基于粒子群改进的自辨识扰动因子的阻尼控制器PSO-ADRC要优于传统的ADRC控制器。

4 结论

基于光伏电站布局配置的灵活运行于二维四象限空间的直流环蓄电池储能型链式静止无功发生器，提出通过STATCOM-BESS无功控制环附加改进粒子群参数响应的自抗扰阻尼控制器来提高并网系统稳定性的方法，得出如下结论。

（1）基于光伏电站布局配置的STATCOM-BESS具备响应无功需求及增强电能质量的作用，通过STATCOM-BESS无功控制环附加粒子群参数调整的自辨识内外扰动因子的阻尼控制器改善并保证了互联系统阻尼水平，进一步提升了系统稳定性。

（2）对照电站不同并网容量下系统的稳定能力，得出光伏并网容量增加后，STATCOM-BESS附加粒子群自辨识阻尼控制器通过其良好的自抗扰机制增强了对邻近机组的平抑功率振荡能力，缩减了平息振荡时间。

（3）相比传统ADRC控制器反馈修正非线性参数较冗余，难以动态更新，基于粒子群改进的自辨识扰动因子的阻尼控制器能在较短的有效时间内使系统恢复到稳定状态，可知基于粒子群改进的自辨识阻尼控制器对调节改善系统阻尼特性更为有效。