光储系统Super-TwistingL2增益自适应下垂控制

刘雅芳，谷志锋，李 琳，张 凯，刘靖波，李梦佳

(1. 石家庄铁道大学电气与电子工程学院，河北 石家庄 050043; 2. 中国人民解放军第三三零二工厂，河北 石家庄 050035)

0 引 言

光储一体式发电技术促进了微电网的快速发展，拓展了新能源发电技术前景。光储发电系统惯性小，环境条件（光照、温度）以及负荷功率随机性变化均会对系统稳定性会产生不利影响，因此，功率快速稳定分配方法成为研究热点[1-2]。在光储一体发电系统众多控制方法中，下垂控制由于具有分散同步、无需通信系统支持等优点，所以是一类重要的微电网控制方法[3-4]。文献[5]依据交流频率与直流电压标幺化参数实施交直流混合微电网下垂控制，由于下垂系数固定，导致母线电压波动较大，为此，部分学者提出了自适应下垂控制算法[6]；文献[7]提出了余弦函数曲线特性的动态下垂系数法，下垂系数随着功率减小而增大，以减少母线电压抖振；文献[8]提出了基于输出量非线性函数的微网潮流控制器变系数下垂控制方法；文献[9]提出了计及转速限值的双馈风机下垂系数整定方法及控制策略，使转速自行稳定，减少了系统扰动对风机调频过程的影响；文献[10]提出了基于虚拟惯性的双曲正切函数下垂控制方法，实现了母线电压稳定；文献[11-12]提出电压协调下垂控制策略，但未考虑与储能变换器动态影响。

由于直流微网中的储能变换器具有非线性特征，且存在参数不确定性和外部扰动，L2增益控制是提高系统鲁棒稳定性的重要方法。然而，传统L2增益算法不可避免地存在控制抖振的问题，限制了提高系统动态稳定性能的能力。Super-Twisting通过引入积分环节，可以有效降低控制抖动，笔者所在课题组提出了非线性系统Super-TwistingL2增益控制方法[13]。同时结合光储微网惯性小的物理特征，为克服传统固定系数下垂控制容易引起功率波动的不足，本文提出一种Super-TwistingL2增益自适应下垂控制方法，对光伏电池与储电池组之间进行协调控制，避免新能源的浪费，延长蓄电池组寿命。在光照强度等环境条件以及负载的突增突减进行扰动的情况下，有效维持直流母线电压稳定，减小系统的抖振，增大系统的惯性，提高系统的电能质量。

1 Super-TwistingL2增益自适应下垂控制方法

2 光储微网的运行方案

直流微网在不受外界条件影响(例如光照强度、温度变化)以及负载的突增突减时，系统可以正常运行；在受到外界条件影响以及负载的突增突减时，系统中各个元件可以有序地投入和切出。本文采用光储微网进行实验仿真，如图1所示，系统由光伏单元、蓄电池组、储能变换器以及负荷单元构成。

图1 光储系统Super-Twisting L2增益自适应下垂控制框图

光储直流微网中有6种工作模式：

方案一：当光照充足时，既可以满足负载需求又可以给蓄电池组充电，此时光伏采用恒压进行控制。随着光照强度慢慢减弱，仍然可以满足负载要求，但无法达到蓄电池组充电上限。满足条件

式中：PBCmin——蓄电池组最小充电功率；

PPV——光伏电池最大输出功率；

PL——负载功率。

方案二：在方案一时刻，光照持续减弱并减少为0，光伏既无法满足负载的需求，也无法满足给蓄电池组充电，此刻由蓄电池组与柴油机共同为负载供电。满足条件

方案三：在方案二的基础上，光照强度慢慢增强，但是光照强度仅仅满足给负载供电，蓄电池组不充电也不放电，光伏单元控制方式为最大功率跟踪控制，满足条件

PL+PBCmin＞PPV≥PL (26)

方案四：如果在方案二的基础上光照强度突然增强，既可以满足负载需求，又可以给蓄电池组充电，满足条件

方案五：在方案三的基础上光照强度逐渐增强，既可以满足负载需求，又可以给蓄电池组充电，满足条件

方案六：在方案五的基础上，光照急剧下降，光伏无法满足负载的需求，同时也无法满足给蓄电池组充电，此刻由蓄电池组与柴油机共同为负载供电，满足条件

3 仿真实验

本文为了验证所提出的 Super-TwistingL2增益自适应下垂控制方法的准确性，并与基于电压变化率的下垂控制以及传统的下垂控制进行对比。选取方案一与方案四在Matlab中结合模型进行仿真实验。通过调节光伏单元中光照强度以及负载投切的变化，对传统下垂控制、基于电压变化率的下垂控制以及Super-TwistingL2增益自适应下垂控制进行实验对比分析，时长为12 s，实验参数如表1所示。

表1 实验参数

3.1 方案一的控制性能对比

实验条件：负载在3 s与6 s时进行扰动，光照强度在6 s时，由1 kW降到0.5 kW。

初始时刻，光伏单元足以为负载与蓄电池组供电，光伏输出功率从0 s到6 s时逐渐增加，在6 s时光照强度和温度以及负载的变化，光伏电池的输出功率逐渐减小，如图2(b)所示。蓄电池组的荷电状态由原来的89.978%在5 s时达到90%充满电量，如图2(c)所示。图2(a)为母线电压变化曲线，图2(d)为下垂系数变化曲线。

图2 光储系统仿真结果（方案一）

由图2可知，传统下垂控制与基于电压变化率的下垂控制均能保持母线电压稳定在700 V左右，但是在外界条件变化时传统下垂控制电压波动太大，在3 s左右时下降到642.4 V，在6 s左右时，上升到771 V；基于电压变化率的下垂控制中，在3 s左右时下降到676.7 V，在6 s左右时，上升到717.4 V；Super-TwistingL2增益自适应下垂控制在3 s左右时下降到684.7 V，在6 s左右时，上升到716 V。明显看出传统下垂控制的电压波动要更大，其他两种控制方式电压波动较小，在3 s时Super-TwistingL2增益自适应下垂控制比传统下垂控制的电压波动减少了6.04%，比基于电压变化率的下垂控制电压波动减少1.14%；在6 s时Super-TwistingL2增益自适应下垂控制比传统下垂控制的电压波动减少了7.86%，比基于电压变化率的下垂控制电压波动减少了0.2%。在光伏电池输出功率时，传统下垂控制3 s时，上升到10.01 kW一直到6 s时功率下降，降为4.9 kW并保持稳定；基于电压变化率的下垂控制中，3 s时，上升到9.75 kW一直到6 s时功率降为4.9 kW并保持稳定；在Super-TwistingL2增益自适应下垂控制在3 s时，上升到10.4 kW一直到6 s时功率降为5.71 kW并保持稳定。相较前两种方法光伏输出功率波动有所减小且一直保持最大功率输出。在下垂系数中，外界条件变化（3 s和6 s）时，基于电压变化率的下垂控制与Super-TwistingL2增益自适应下垂控制均能快速做出响应，但是Super-TwistingL2增益自适应下垂控制响应速度更快。

3.2 方案四的控制性能对比

实验条件：负载在3 s与6 s时进行扰动，光照强度由0 kW上升到1.4 kW。

由方案二可知，光照强度为0时，蓄电池组与其他发电装备为负载供电，当光照强度突然增加1.4 kW时，足以为蓄电池组与负载继续供电。光伏输出功率从3 s逐渐增加，在6 s时由于负载的变化，光伏电池的输出功率逐渐减小，如图3(b)所示。蓄电池组的荷电状态由原来的60%一直充电，如图3(c)所示。图3(a)为母线电压变化曲线，图3(d)为下垂系数变化曲线。

图3 光储系统仿真结果（方案四）

根据图3可知，传统下垂控制与基于电压变化率的下垂控制均能保持母线电压稳定在700 V左右，但是在外界条件变化时电压波动太大，传统下垂控制在3 s左右时下降到644.1 V，在6 s左右时，上升到765.1 V；基于电压变化率的下垂控制中，在3 s左右时下降到676.3 V，在6 s左右时，上升到720.9 V；在Super-TwistingL2增益自适应下垂控制在3 s左右时下降到686.2 V，在6 s左右时，上升到716.3 V。明显看出相较传统下垂控制，其他两种控制方式电压波动较小。在3 s时Super-TwistingL2增益自适应下垂控制比传统下垂控制的电压波动减少了6.01%，比基于电压变化率的下垂控制电压波动增加了1.41%；在6 s时Super-TwistingL2增益自适应下垂控制比传统下垂控制的电压波动减少了7.0%，比基于电压变化率的下垂控制电压波动减少了0.66%。在光伏电池输出功率时，传统下垂控制3 s时，上升到13.02 kW，6 s时功率降为7.90 kW并保持稳定；基于电压变化率的下垂控制中，3 s时，上升到12.77 kW，6 s时功率降为7.92 kW并保持稳定；在Super-TwistingL2增益自适应下垂控制3 s时，上升到13.49 kW，6 s时功率降为8.71 kW并保持稳定。相较前两种方法光伏输出功率波动有所减小且一直保持最大功率输出。在下垂系数中，外界条件变化时，在3 s和6 s时，基于电压变化率的下垂控制与Super-TwistingL2增益自适应下垂控制均能快速做出响应，但是Super-TwistingL2增益自适应下垂控制响应速度更快。

4 结束语

在光储直流微网中，合理分配光伏电池与蓄电池组的输出功率，结合两种方案，采用Super-TwistingL2增益自适应下垂控制分别和传统下垂控制以及基于电压变化率的下垂控制方法进行分析比对。实验表明，在维持母线电压稳定、保持光伏输出功率最大输出、负载扰动的条件下，下垂系数的快速反应动作中，Super-TwistingL2增益自适应下垂控制都要比其他两种控制更加优越，有效地减少了系统母线电压的抖振，增大了系统惯性，改善了由于外界环境的影响以及负载的变化引起的电能质量问题，对于研究系统各个单元协调控制具有一定的研究前景与价值。