王义 江汉红 邢鹏翔

摘 要：针对独立微网系统暂态频率稳定性较差的问题，提出了典型光-风-储交直流混合微网中并网逆变器采用自抗扰控制的暂态辅助调频控制方法。首先，分析了常规PD控制辅助调频算法的结构和原理。然后，从抑制系统功率扰动的角度分析了微网同步发电机调频原理，推导了自抗扰控制器的设计。最后，通过仿真模型和实验平台进行验证，对比分析了无辅助功率调频、常规PD控制辅助调频和自抗扰控制辅助调频的系统频率扰动，得出所设计的自抗扰控制器的调频能力明显提升，且具有一定抗参数扰动能力，在独立微网辅助调频控制中有较强应用价值。

关键词：交直流混合微网;暂态频率;PD控制;自抗扰控制;辅助调频

中图分类号：TM 743

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2019）04-0008-12

0 引 言

能源和环境问题是人们迫切需要解决的问题，如何获取和利用好清洁新能源是学者们研究的热点。新能源与传统能源组建成独立微电网后，如何提升电网的频率稳定性，已有不少学者展开了深入的研究[1-2]。

文献[3]研究基于负荷估计的光-柴独立微网频率控制，采取构造干扰观测器的方法估计微网负荷波动，通过滑模控制器来控制柴发有功功率，优化系统频率波动，但是没有考虑并网逆变器参与的辅助调频策略。文献[4]采取Q学习方法对微网系统二次调频方法进行研究，实现了二次调频的智能控制，但是没有考虑独立微网暂态调频方法。文献[5]研究了虚拟同步发电机的微网一次和二次调频方法，但是重点是研究的虚拟同步发电机调频方法，算法相对复杂，其工程化实现有一定难度，文献[6]研究了风力发电机虚拟惯量和桨距角联合控制的风-光-柴微网动态频率控制，但是研究重点是风机虚拟惯量和桨距角的控制参与系统调频。文献[7]研究一种带比例-微分（proportional differential，PD）控制的双馈抽水蓄能机组参与系统调频的控制策略，并给出了PD控制的相关参数整定方法，通过仿真验证了PD控制的抽水蓄能机组能够响应频率扰动，从而改善系统暂态频率。文献[8]针对直驱永磁风电机组，采取了风机虚拟惯量的PD控制，通过搭建实验平台验证了风机利用虚拟惯量参与系统调频的可行性，说明了PD控制算法调频能改善系统频率特性。

文献[9]研究了自抗扰控制（auto-disturbances rejection control，ADRC）在永磁同步发电机伺服系统的应用，研究的重点是转速的估计，及其对负载扰动的鲁棒性，方法有一定借鉴意义，但重点不是辅助调频的应用。文献[10]针对动车组整流器设计了一阶线性自抗扰控制器，用该控制器代替传统基于线性比例-积分（proportional integral，PI）控制器的瞬态电流控制策略，通过设计跟踪微分器和计算扩展状态观测器，将系统内外扰动归算为总扰动，并设定动态线性补充器，最后通过仿真验证了自抗扰控制器具有较好的鲁棒性和抑制低频振荡效果。文献[11]较系统介绍了风机线性自抗扰控制器对微网频率控制的效果，及其控制参数的设计和选取，并通过与传统PI控制进行比较，由理论分析和仿真得出，线性自抗扰控制器能提升风电参与调频的力度，且其控制器的鲁棒性更好。

本文采取一种基于辅助功率（PAux，auxiliary）暂态调频的方式[12]，从微网系统功率波动造成频率扰动的机理进行分析，设计一种自抗扰控制的方法[13-14]。ADRC调频核心思想是通過扩张观测器（extended state observer，ESO）实现对系统频率扰动实时观测，得到对系统功率扰动的观测量，并在状态误差反馈控制律（state error feedback law，SEFL）中进行补偿[15-16]，达到系统功率和频率扰动的平衡，从而实现辅助调频。

本文先推导独立微网中常规PD控制调频机理，然后给出ADRC调频的设计过程，再通过仿真及实验验证，将ADRC调频与无辅助调频和常规PD控制辅助调频进行对比，验证了该方法的可行性和优越性。

1 独立微网结构及其常规调频策略

文中以一种典型的光-风-储交直流混合微网为研究背景，如图1所示。

图中采用新能源光-风-储构成直流母线，光和风能源的随机扰动由直流侧蓄电池进行平抑。新能源通过DC/AC并网逆变器与同步发电机并联组成交流母线。同步发电机组系统为主控制电源，并网逆变器为从控电源。能量管理系统（energy management system，EMS）通过RS485串口通信获取各个子系统参数，综合进行功率优化调度控制，给并网逆变器发送功率指令PEMS，并结合系统运行经济性，对系统稳态频率偏差进行二次调频。

1.1 常规PD控制调频机理

微网系统常规PD控制调频机理如图2所示。并网逆变器在能量管理系统发送的功率指令PEMS基础上，加入了由系统频率偏差Δf通过PD控制换算来的辅助功率PAux。当微网系统频率扰动时，并网逆变增发辅助功率PAux，从而模拟同步发电机参与系统一次调频控制[17]。

图中可得，常规同步发电机由给定功率PSG_C及PI控制调速器产生的补偿功率PPI得到输入参考功率指令P*SG，同步发电机产生并输出功率PSG。PInv为并网逆变器输出功率，PLoad为系统有功负荷，ΔPU为系统的不平衡功率。当系统达到稳定工作状态下，由系统有功功率平衡有

1.2 常规PD控制调频算法

常规PD控制主要由频率偏差Δf的比例项（P）和微分项（D）的线性组合算法实现，比例项算法的实现方式如图3所示，采集的频率f与参考频率f*的偏差Δf乘以比例系数kpf，即为比例项辅助功率ΔPP。

微分项的算法如图4所示，采集频率偏差Δf求取微分，经过低通滤波器后与微分系数kdf相乘，即为微分项辅助功率ΔPD。图中低通滤波器是避免小频率扰动造成并网逆变器频繁参与调频，影响系统运行的经济性。

求取比例项和微分项辅助功率后，对两者求和，即为调频增发的辅助功率PAux=ΔPP+ΔPD。微网系统的常规PD控制调频原理框图如图5所示。

由图所示可得，功率指令PEMS由上层能量管理通过指令下发，并网逆变器的暂态调频的辅助功率PAux由低层控制器通过PD控制算法获取。辅助功率正常输出需要确保系统无异常保护，例如同步发电机系统无异常、微电网频率无超频或欠频现象、系统电压稳定等，因此需要乘以异常保护标志位Flag。图中并网逆变器输出功率增加限幅器是为了避免瞬态功率过大，导致直流母线过功率保护，设置“频率死区”是为了避免小负荷扰动造成的频繁调频。

2 自抗扰控制器的设计

2.1 ADRC设计过程推导

按图2微网系统调频原理推导系统频率变化Δf的微分方程，本文依据微分方程设计状态观测器，并构造自抗扰控制器，暂不考虑负荷投切造成的系统电压波动，因此同步发电机的Eq恒定模型为：

对比常规PD控制器，本文设计的ADRC是基于功率扰动的观测与补偿，其抑制频率扰动的动态性更好，控制器有3个方面的优点：1）采取跟踪微分器能够减小频率扰动的震颤和减小辅助调频造成的超调;2）设计非线性状态误差反馈控制律，并利用饱和函数，能实现“小误差大增益，大误差小增益”[9]，提高误差跟踪效率;3）采取扩张状态观测器实现系统参数扰动估计和补偿，使控制器具有较好的适用性和鲁棒性[15]。

3 仿真分析

为了验证ADRC辅助调频的效果，并和常规PD控制进行对比分析，在Matlab/SIMULINK环境中搭建了仿真模型，并网逆变器的额定功率Pn=2 MW，同步发电机额定功率Sn=4.1 MW，仿真测试参数如表1所示，系統包含固定负载PLoad1=2 MW，可投切负载PLoad2=0.25 MW。

3.1 跟踪微分器和NLSFE算法仿真

微网系统具有惯性时间常数H，系统频率响应也即为惯性量，负荷突增或突卸是一个阶跃量，让惯性量快速跟踪阶跃量本身存在矛盾。如图7所示对无TD处理的PD控制器输入模拟负荷阶跃信号，不采用跟踪微分器则会出现明显的信号抖振现象。

对阶跃信号进行跟踪微分处理，使阶跃量具有一定柔性，如图8中虚线所示。对有微分处理的阶跃信号采取NLSFE跟踪，如图8中点画线所示（仿真结果中虚线和点画线几乎完全重合），经过TD处理后的抖振现象明显减弱。

3.2 非线性扩张状态观测器仿真

状态观测器对系统负荷扰动造成的Δf·变化准确估计，是ADRC对系统扰动进行补偿或抑制的前提，如图9（a）和图9（b）为负荷突增和突卸观测效果。

图9中，实线为系统的实际扰动频率Δf·，虚线为状态观测器的观测结果z1。从图9可见，在负荷突增和突卸情况下，状态观测器能够实现对系统频率扰动的准确估计。

由于系统内、外部参数摄动对系统特性造成一定影响，比如惯性时间常数H的改变，因此有必要通过仿真来验证参数H扰动对控制器的影响。如图10所示，参数H摄动时，即参数b0=1/24、b0=1/12、b0=1/6，观测器观测频率扰动效果。

由图10可知，b0取值一定幅度变化时，不会影响状态观测器对频率扰动量的准确估计，也不会影响ADRC对频率的控制效果，即ADRC能够容许系统参数一定的摄动，减轻了控制器对系统参数的依赖，使控制器具有较强鲁棒性。

3.3 调频控制算法仿真对比

为了对比分析传统PD控制和ADRC调频算法的优劣，通过Matlab/SIMULINK环境搭建了仿真模型，在能量管理功率指令PEMS=0.85 MW不变的条件下，对系统负荷扰动时系统的频率响应特性进行仿真。

在t=14 s时，将可变负载PLoad2=0.25 MW投入或切除，系统动态响应曲线分别如图11和图12所示。图中f为电网频率，PSG为同步发电机输出功率，PInv为并网逆变器输出功率。实线、虚线、点化线分别代表无辅助调频、常规PD控制调频和ADRC调频3种情况下的响应曲线。

图11中，突增负载时，加入常规PD控制和ADRC调频后，系统频率的下降速度、幅度和稳定时间均得到明显改善，相比常规PD控制，ADRC的改善程度更大。同理，图12中可以看出，突卸负载时，加入常规PD控制和ADRC调频使频率上升速度、幅度和稳定时间明显改善，ADRC达到的效果更好。

将图11、图12仿真结果进行统计对比，结果如表2～表3所示。从表2～表3可见负荷扰动时，相比常规PD控制，ADRC的引入使得系统频率偏差分别减小了0.15 Hz左右，稳定时间减小了约2 s，辅助暂态调频效果明显提升。

4 实验验证

为进一步验证本文提出的ADRC辅助调频方法在独立微网中的可行性及有效性，搭建了一套额定功率为15 kW的并网逆变器，以及系统容量为30 kVA的模拟同步发电机组，其惯性时间常数H=3 s。新能源直流母线用磷酸铁锂电池代替，直流输出为700 V，容量为200 kWh。实验系统中，由阻性负载箱模拟实际电网中负荷，由电抗器（3 mH）模拟实际电网中的长距离输电线路LLine1（约为3 km）。能量管理系统采用LabWindows/CVI编程的界面，通过RS485串口通信与底层控制器进行数据交互，并绘制实时功率和频率曲线。搭建的实验系统的结构和系统平台现场如图13所示。

在能量管理功率指令PEMS=2.5 kW不变的条件下，系统固定负载P′Load1=10 kW，可投切负载P′Load2=5 kW，在t=7.5 s时投切负载，分别针对无辅助调频、常规PD控制调频和ADRC调频进行3组实验。将不同算法的系统频率、同步发电机功率和并网逆变器功率的实验曲线进行对比，如图14～图16所示。

由图14～图16可得，相同负荷扰动下，常规PD控制和ADRC都能有效改善系统频率暂态特性，系统频率扰动最大幅值和恢复速度都有明显提高，ADRC对频率暂态响应的改善效果更佳。实验结果的对比分析如表4～表5所示。

对比常规PD控制，ADRC的引入使得系统频率偏差减小了0.14 Hz左右，稳定时间也减小了约1 s，明显改善了系统暂态频率特性。

另外，本文中辅助调频对系统频率的稳态指标并无贡献，辅助调频是在频率变化过程中参与系统的调频，暂态调频结束后，能量管理根据系统运行的经济性，对各电源的输出功率进行调整，并进行二次调频。

5 结 论

本文通过对独立微网频率响应特性分析，得出了一种基于ADRC的辅助调频方法，并通过仿真和实验，与常规PD控制方法进行对比验证。由对比结果可的，ADRC和常规PD控制一样，在负荷扰动条件下都能够为系统提供一定的惯性支持和频率支撑。

由于ADRC是通过对系统频率扰动的观测与补偿，具有更好的动态特性，因此相比于常规PD控制，ADRC能更好地抑制系统频率扰动，频率的波动幅度和稳定时间都能够得到更好改善。通过对比不同参数下ADRC的控制性能，可得控制对象的参数一定范围内变化时，并不影响其控制效果，可见该控制算法在实际系统中具有较强的适应性和鲁棒性。

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（编辑：刘琳琳）