陈 磊, 李权元, 郝宝平, 刘向辰

1.武威电建实业有限公司 甘肃武威 733000

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1 研究背景

随着能源和环境问题的日益突出,找到一种能够替代传统化石燃料的新能源已经成为全人类需要解决的问题。在这一背景下,具有绿色、环保等优点的光伏-风力-储能交直流混合独立微电网系统应运而生。如何提高新能源发电质量,保证用户侧用电的可靠性和安全性,已经成为这一领域中专家和学者面临的主要问题。

目前,国家电网调度主要采用日前优化+日内滚动+实时控制的独立微电网控制策略,这一策略通过不断修正线上所有发电机组启停、负荷投切来经济合理地调节微电网系统。通过仿真和试验,证明采用这一策略可以极大提高独立微电网的发电质量[1-3]。针对直流微电网负载阻尼系数较低、直流母线电压容易振荡失稳的问题,朱晓荣等[4]提出一种虚拟电阻控制策略,用于补偿下垂因数,从而达到改善系统稳定裕度的目的。

以上研究虽然解决了微电网系统发电质量较差、负荷不均的问题,但电力系统消纳仍然是困扰独立微电网的主要危害之一。为了提高电力系统的全年消纳电量,有学者提出一种基于最优经济目标的多集群新能源汇集计算和规划方案,并将其应用于电力系统模型。通过验证,这一方法可以减少迭代次数,实现潮流计算的快速收敛[5-6]。为了分析分布式电源的接入对电网电能质量、继电保护、供电可靠性、运营管理所产生的影响,王福禄等[7]提出智能微电网运行控制架构,并研究了并网点功率交换控制、模式切换控制、紧急控制、黑启动控制等智能微电网的运行控制策略。

笔者在上述研究的基础上,提出一种基于改进型自抗扰控制器的独立微电网系统频率扰动抑制策略,将重复控制能够周期性减小频率扰动的原理融入自抗扰控制器系统,最大限度抵消由频率扰动对系统造成的不利影响,提高独立微电网对交流侧负载和直流侧负载的供电质量[8-9]。

2 光伏-风力-储能交直流混合独立微电网

光伏-风力-储能交直流混合独立微电网结构如图1所示。

图1 光伏-风力-储能交直流混合独立微电网结构

由图1可以看出,光伏组件和风力发电机组是微电网系统的主要发电单元,所发出的电能通过电力变换器输入直流母线和交流母线,供给直流负载和交流负载。蓄电池主要用于对所发电能进行平波抑制。能量管理系统用于实时监测各个子系统的数据,通过向发电机和并网逆变器实时发送有功功率参考指令,实现对系统频率偏差的有效调节。

3 基于比例积分控制的抑制策略

太阳能、风能自身属于不稳定的间歇式能源,所发出的电能存在稳态频率偏差,严重时会导致电力系统频率不稳定,进而出现大面积停电。为了提高供电可靠性,需要对系统频率偏差进行实时调节。

基于比例积分控制的独立微电网频率扰动抑制策略如图2所示。

图2 基于比例积分控制的独立微电网频率扰动抑制策略

由于负载的实时波动及分布式发电的不稳定性,导致独立微电网系统的有功功率不平衡,从而出现频率偏差。独立微电网系统有功功率不平衡与频率偏差之间的关系可以表示为:

(1)

式中:H为独立微电网系统的惯性常数;A为阻尼系数;s为频域信号,s=jω,ω为系统频率。

1/(2Hs+A)是光伏-风力-储能交直流混合独立微电网系统的数学模型。

基于比例积分控制的独立微电网系统频率扰动抑制策略,通过能量管理系统向并网逆变器和同步发电机实时发送有功功率参考指令进行调频,其中,同步发电机调频作为主要调频手段,并网逆变器调频作为辅助调频手段[10]。当然,比例积分控制存在超调严重、动态响应慢、参数调节麻烦等问题,会严重影响系统调频的性能。

4 基于改进型自抗扰控制器的抑制策略

4.1 传统自抗扰控制器

自抗扰控制器由三部分组成,分别为微分信号跟踪模块、扩张状态观测模块、非线性反馈模块。传统自抗扰控制器的工作原理是将建模的动态误差、负载扰动,以及未知扰动产生的干扰频率视为影响微电网系统正常运行的总扰动,通过对总扰动进行实时估算和前馈误差补偿,消除总扰动对微电网系统正常工作的影响。传统自抗扰控制器工作原理如图3所示。

图3 传统自抗扰控制器工作原理

图3中:r(z)为输入信号,y(z)为输出信号,u为作用于被控对象的最终控制量,b为自抗扰控制器的内部补偿参数,x1(z)为频率扰动跟踪信号,x2(z)为频率扰动微分信号,e1(z)为频率扰动信号误差,e2(z)为频率扰动信号微分误差,y1(z)为输出信号,y2(z)为输出信号y1(z)的微分信号,y3(z)为频率总扰动信号。

微分信号跟踪模块的主要作用是提取频率扰动信号的跟踪信号和微分信号,使过渡过程更加平稳,解决了系统超调和快速性不能同时满足的问题。微分信号跟踪模块的表达式为:

(2)

式中:x1(k)为k时刻的频率扰动跟踪信号;x2(k)为k时刻的频率扰动微分信号;x1(k+1)为k+1时刻的频率扰动跟踪信号;x2(k+1)为k+1时刻的频率扰动微分信号;Ts为系统采样周期;l为速度参数;m为滤波参数。

g[x1(k),x2(k),l,m]是最优控制函数。

扩张状态观测模块的主要功能是估算频率总扰动信号,并且能够准确跟踪频率扰动信号。扩张状态观测模块的表达式为:

(3)

式中:e(k)为k时刻的误差信号;y1(k)为k时刻的输出信号;y2(k)为k时刻输出信号y1(k)的微分信号;y3(k)为k时刻的频率总扰动信号;y1(k+1)为k+1时刻的输出信号;y2(k+1)为k+1时刻输出信号y1(k+1)的微分信号;y3(k+1)为k+1时刻的频率总扰动信号;h为幂次函数;β1、β2、β3为调节幂次函数h的内部参数;α1、α2、α3为扩张状态观测模块参数;δ为幂次函数h的选择区间域;c为调节函数。

非线性反馈模块的主要作用是对微分信号跟踪模块输出信号x1(z)、x2(z)与扩张状态观测模块输出信号y1(z)、y2(z)的误差值e1(z)、e2(z)进行非线性组合,生成相应的控制量,实现不采用积分就能完成无静差跟踪控制的功能。非线性反馈模块的表达式为:

{e1(k)=x1(k)-y1(k)

e2(k)=x2(k)-y2(k)

(4)

u=k1ζ[e1(k),ε1,0.5]+k2ζ[e2(k),ε2,0.25]-y3(k)/b

式中:e1(k)为k时刻的频率扰动信号误差;e2(k)为k时刻的扰动信号微分误差;ζ为非线性函数;ε1、ε2为非线性函数ζ的内部参数;k1、k2为非线性函数ζ的可调参数。

4.2 改进型自抗扰控制器

通过以上分析可知,自抗扰控制器虽然能够对微电网系统的频率总扰动进行前馈补偿,但自身参数较多,并且参数选择的合适与否将会直接影响自抗扰控制器对频率总扰动的估算和补偿效果。对此,笔者提出一种基于改进型自抗扰控制器的独立微电网系统频率扰动抑制策略。这一策略在传统自抗扰控制器基础上引入重复控制周期性缩小系统误差原理,加快误差的收敛,减小内部参数对自抗扰控制器的影响,提高微电网系统对频率扰动的抑制能力。改进型自抗扰控制器的工作原理如图4所示。

图4 改进型自抗扰控制器工作原理

图4中:Q(z)为低通时域滤波器,z-N为时域延迟环节,S(z)为补偿环节,KP为比例因数,N为电网频率与系统频率的比值。

将改进型自抗扰控制器应用于光伏-风力-储能交直流混合独立微电网系统,取代原来的比例积分控制,可以更加有效地抑制频率扰动对微电网系统造成的危害。基于改进型自抗扰控制器的独立微电网系统频率扰动抑制策略如图5所示。

图5 基于改进型自抗扰控制器的独立微电网系统频率扰动抑制策略

5 仿真分析

为了验证所提出的基于改进型自抗扰控制器的独立微电网系统频率扰动抑制策略的抑制能力,笔者应用Matlab/Simulink软件仿真试验平台进行仿真,并对仿真结果进行分析。

5.1 交流侧负载供电质量

在系统中加入随机频率扰动信号,交流侧负载的三相电压仿真波形如图6所示。

由图6可以看出,在独立微电网系统中加入随机频率扰动信号,采用基于比例积分控制的独立微电网系统频率扰动抑制策略,220 V负载三相交流电压正弦波形较差;采用基于改进型自抗扰控制器的独立微电网系统频率扰动抑制策略,220 V负载三相交流电压正弦波形明显改善。

图6 交流侧负载三相电压仿真波形

为了验证两种策略下的供电质量,分别对两种策略下的交流侧负载三相电压进行谐波畸变率分析,如图7所示。

图7 交流侧负载三相电压谐波畸变率

采用基于比例积分控制的独立微电网系统频率扰动抑制策略,电压幅值为225.08 V,谐波畸变率均值为7.05%,超过并网电压允许条件。采用基于改进型自抗扰控制器的独立微电网系统频率扰动抑制策略,电压幅值为220.02 V,谐波畸变率均值为3.87%,满足并网电压允许条件。由此可以验证,基于改进型自抗扰控制器的独立微电网系统频率扰动抑制策略能够提高交流侧负载的供电质量。

5.2 直流侧负载供电质量

在系统中加入随机频率扰动信号,直流侧负载的电压仿真波形如图8所示。

图8 直流侧负载电压仿真波形

由图8可以看出,在0.10～0.14 s时间内向系统加入随机频率扰动信号,采用基于比例积分控制的独立微电网系统频率扰动抑制策略,直流电压抖振幅度较大;采用基于改进型自抗扰控制器的独立微电网系统频率扰动抑制策略,直流电压抖振幅度较小,基本能维持在550 V左右。由此可以验证,基于改进型自抗扰控制器的独立微电网系统频率扰动抑制策略能够提高直流侧负载的供电质量。

6 结束语

笔者在传统自抗扰控制器的基础上,提出一种基于改进型自抗扰控制器的独立微电网系统频率扰动抑制策略,将重复控制能够周期性减小频率扰动的原理融入自抗扰控制器,最大限度抵消频率扰动对独立微电网系统造成的影响。通过仿真,验证了采用基于改进型自抗扰控制器的独立微电网系统频率扰动抑制策略,能够在独立微电网系统存在频率扰动的情况下,有效提高独立微电网系统对交流侧负载和直流侧负载的供电质量。