曹 博，蘇興振，譚學菊

（中信戴卡股份有限公司，河北 秦皇島611731）

頻率穩(wěn)定是微電網安全穩(wěn)定運行的重要因素，它反映了微電網中有功功率供需平衡的基本狀態(tài)［1].由于微電網中的風力發(fā)電等可再生能源的出力和系統(tǒng)負荷的多變性和不可預測性，使得要時刻保持微電網的系統(tǒng)供需平衡非常的困難，并且大多數(shù)分布式電源及儲能系統(tǒng)都是經過電力電子接口接入微電網，從而造成微電網系統(tǒng)的慣性很弱，使得擾動發(fā)生后系統(tǒng)頻率變化比較快［2]，頻繁的擾動會使系統(tǒng)的頻率失去穩(wěn)定，嚴重的甚至會導致系統(tǒng)解列.因此，對微網孤島運行模式時的頻率控制方法進行研究是非常必要的［3-7].

筆者針對微電網孤島運行時由于風電的間歇性、波動性和負荷的不可預測性，導致微電網的頻率難以控制的問題，將負荷和風力發(fā)電機的波動作為干擾考慮在內，提出了基于自抗擾控制器的風柴儲微電網頻率控制方法.

1 風柴儲微電網系統(tǒng)

風柴儲微電網系統(tǒng)由三個部分組成：發(fā)電裝置、儲能裝置和能量消耗裝置.其中發(fā)電裝置有風力發(fā)電機和柴油機，儲能裝置為儲能電池，能量消耗裝置是系統(tǒng)的負荷，并且風力發(fā)電機、儲能電池等分布式電源都需要通過電力電子變換器才能夠與微網系統(tǒng)網絡相連，并且儲能電池既可以充電也可以放電，是通過雙向逆變器連接到微電網的，系統(tǒng)的結構如圖1所示.

圖1 風柴儲微網系統(tǒng)結構圖

2 自抗擾控制策略設計

2.1 風柴儲微網頻率控制結構

利用負荷預測和風力發(fā)電輸出功率的預測信息，根據(jù)可能出現(xiàn)的負荷波動和風力發(fā)電輸出功率的波動來提前安排風力發(fā)電機和柴油機的發(fā)電計劃，使得其能夠在微電網頻率還未波動的情況下，提前動作，減小可能出現(xiàn)的有功功率供需之間的差額，從而減小了微電網可能出現(xiàn)的頻率波動，考慮到預測信息與實際信息之間會有誤差.因此，同時采用儲能電池實時控制微電網的頻率，最終控制目標是使得其頻率穩(wěn)定在額定值附近，其控制結構如圖2所示，主要包括兩個模塊：風柴功率分配模塊和儲能電池實時控制模塊.

圖2 風柴儲微網系統(tǒng)控制框圖

2.1.1 風柴功率分配模塊

風柴功率分配模塊的主要任務是根據(jù)負荷和風力發(fā)電的預測信息，對風力發(fā)電機和柴油機輸出功率進行分配，使得風力發(fā)電機和柴油機盡可能地跟蹤功率的變化，也就是提前規(guī)劃未來時間中的發(fā)電計劃，使得柴油機和風力發(fā)電機能夠提前動作，減小了可能出現(xiàn)的微網的頻率波動.風柴功率分配的目標是：在使得有功功率供需之間的差額絕對值最小的前提下，盡可能利用可再生能源風能來發(fā)電.

2.1.2 儲能電池控制模塊

由于傳統(tǒng)的儲能電池采用的都是下垂控制方法，其本質就是一個比例控制器，如果下垂系數(shù)比較大，微電源出力會出現(xiàn)過調節(jié)的情況，則微電網穩(wěn)定性很難保證；如果下垂系數(shù)比較小的話，由于控制信號的處理時間不能忽略不計，微電源來不及改變出力，此時，微電網頻率也會出現(xiàn)較大的波動；并且下垂控制屬于有差調節(jié)，其頻率穩(wěn)定值會偏離微電網的額定頻率值，當偏離比較大時，會影響微電源甚至整個微網的安全穩(wěn)定運行.最重要的是，由于微電網系統(tǒng)的頻率控制受風力發(fā)電輸出功率波動、負荷波動這些外部干擾和系統(tǒng)模型不夠精確等內部干擾的影響比較大，而下垂控制沒有辦法抑制這些擾動，當擾動頻繁出現(xiàn)時，會導致微電網運行崩潰.因此，需要對儲能電池實時控制模塊加以改進.筆者采用包含擴張狀態(tài)觀測器的抗干擾控制器，以保證功率快速、穩(wěn)定的跟蹤期望值.

2.2 基于自抗擾控制器的頻率控制目標與結構

儲能控制系統(tǒng)頻率的目的是，抑制由于負荷和風力發(fā)電的波動而引起的系統(tǒng)頻率波動，將微網的頻率控制在額定值的附近，滿足微電網對于頻率波動的要求，使其能夠安全穩(wěn)定地運行.基于自抗擾控制器的儲能電池頻率控制結構如圖3所示.

圖3 基于自抗擾控制器的儲能電池頻率控制結構圖

以設定值Δfref＝f-fref＝0為輸入值，也就是系統(tǒng)設定值，其中fref為微網的額定頻率值，f表示微網的實時頻率值，ΔPf表示為了維持頻率穩(wěn)定儲能電池需要調節(jié)的功率值，也就是系統(tǒng)的控制量；PL表示當前的微網負荷值，Pw表示當前的風力發(fā)電機輸出功率，Pd表示當前的柴油機輸出功率值，PL-Pw-Pd表示系統(tǒng)的干擾項，Δf表示系統(tǒng)的輸出值.

2.3 基于自抗擾的儲能電池頻率控制器設計

根據(jù)圖3中基于自抗擾控制器的儲能電池頻率控制結構可以看出，該控制結構的被控對象由儲能電池和微網系統(tǒng)共同組成，由于儲能電池能夠等效為一階滯后環(huán)節(jié)［8].因此，基于自抗擾控制器的儲能電池頻率控制的被控對象可以看作是兩個一階慣性系統(tǒng)的串聯(lián)，為一個二階系統(tǒng).故本文采用二階自抗擾控制器，其控制框圖如圖4所示，圖中G0為被控對象，G1為自抗擾控制器的跟蹤微分器，G2為自抗擾控制器的擴張狀態(tài)觀測器，G3為自抗擾控制器的非線性狀態(tài)誤差反饋規(guī)律.

圖4 基于二階自抗擾控制器的控制框圖

2.3.1 控制對象G0

自抗擾控制器需要得到被控對象的狀態(tài)空間表達式，由控制量u＝ΔPf到輸出量y＝Δf的控制結構如圖5所示.

圖5 控制量u到輸出量y的控制結構框圖

其中，PL-Pw-Pd是系統(tǒng)的干擾項.自抗擾控制器的被控對象不包括干擾項，容易求出該控制結構的傳遞函數(shù)如式（1）所示.

G0（s）相應的狀態(tài)空間表達式如式（2）所示.

其中x＝［x1，x2]＝［Δf，Pb]，輸出y＝x1，控制量u＝ΔPf.

2.3.2 微分跟蹤器G1

微分跟蹤器對應的數(shù)學模型如式（3）所示.其中fst（v1，v2，r，h）函數(shù)由式（4）來確定，如下所示.

其中，sign函數(shù)為符號函數(shù)，r稱為速度因子，它的取值可以決定跟蹤的快慢，而h被稱為濾波因子，在輸入信號被噪聲污染時，它的取值可以決定濾波的效果.由式（3）和（4）可知，微分跟蹤器的可調參數(shù)是速度因子r和濾波因子h.

2.3.3 擴張狀態(tài)觀測器G2

擴張狀態(tài)觀測器對應的數(shù)學模型如式（5）所示，其中fal（ε，α，δ）函數(shù)如式（6）所示.

適當選擇｛α1，α2，δ1，β01，β02，β03｝，就能夠使得z1、z2很好地估計被控量y和dy，而z3則可以估計出擾動.

2.3.4 非線性狀態(tài)誤差反饋律G3

非線性狀態(tài)誤差反饋律的數(shù)學模型如式（7）所示.

其中，fal函數(shù)如式（6）所示，z3是受控系統(tǒng)中被擴張出來的狀態(tài)變量，k1，k2，α3，α4，δ2為可調參數(shù).

3 仿真和結果說明

利用MATLAB搭建基于自抗擾控制器的儲能電池頻率控制方法的模型.由于跟蹤微分器、擴張狀態(tài)觀測器、非線性狀態(tài)反饋規(guī)律都是相互獨立設計的.因此，可以采用分離性原理來整定自抗擾控制器的參數(shù).例如ESO的｛α1，α2，δ1｝和NLSEF的｛α3，α4，δ2｝都是可以根據(jù)實際運行經驗取固定值的.選擇α1＝0.5，α2＝0.25，δ1＝0；α3＝0.75，α4＝1.25，δ2＝0，r＝10，h＝0.01；β01＝210，β02＝8，β03＝0.2；k01＝12，k02＝0.02.

自抗擾控制算法與下垂控制算法的頻率控制效果對比如圖6所示，可以看出采用自抗擾控制器跟蹤的風柴儲微網的頻率偏移量為0.001.這是由于自抗擾控制器通過擴張狀態(tài)觀測器觀測了系統(tǒng)的擾動，也就是負荷和風力發(fā)電的波動，并且對該擾動進行實時補償，抑制了負荷和風電波動對于頻率的影響，使得風柴儲微網的系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在額定值.

圖6 頻率控制效果對比圖

自抗擾控制算法與下垂控制算法的儲能電池充放電功率對比曲線如圖7所示.由于下垂控制沒有辦法抑制負荷和風電的波動對系統(tǒng)頻率的影響，因此，儲能電池必須根據(jù)負荷和風力發(fā)電的波動進行充放電，從而使得儲能電池的輸出功率比較大；而采用自抗擾控制器的儲能電池頻率控制方法由于引入了擴張狀態(tài)觀測器實時地補償了擾動，因此其充放電功率很小，在對比圖中看起來基本上是一條直線，單獨的自抗擾控制器的儲能電池的輸出功率曲線如圖8所示.

圖7 儲能電池輸出功率對比圖

自抗擾控制算法與下垂控制算法的儲能電池SOC對比曲線如圖9所示，由于基于自抗擾控制器的儲能電池的抗干擾能力強，其充放電功率比較小，因此其SOC基本維持在0.5附近，充放電動作沒有下垂控制那么頻繁.

圖8 自抗擾控制器儲能電池輸出功率圖

圖9 儲能SOC對比圖

從上述仿真結果可以看出，基于自抗擾控制器的頻率控制方法比傳統(tǒng)的下垂控制方法控制頻率的效果好，此時，微網的頻率穩(wěn)定在額定值附近.由于自抗擾控制器能夠實時補償風電和負荷波動干擾對于頻率波動的影響，從而抑制了負荷和風電波動對微網頻率造成的影響.因此相對于對比算法來說，自抗擾控制中儲能電池的充放電功率會大幅度地減小，使得儲能電池的SOC基本維持在0.5.

4 結論

針對微網孤島運行時由于風電的間歇性、波動性和負荷的不可預測性導致微網的頻率難以控制問題，筆者將負荷與風電的波動當作系統(tǒng)的干擾，將儲能電池和微電網作為被控對象，設計了基于擴張狀態(tài)觀測器的實時頻率補償控制器.仿真結果表明該頻率補償控制器可以使得微電網的頻率穩(wěn)定在額定值附近.

［1]趙波，李鵬，童杭偉，等.從分布式發(fā)電到微網的研究綜述［J].浙江電力，2010（3）：1-5.

［2]張建華，黃偉.微電網運行控制與保護技術［M].北京：中國電力出版社，2010.

［3]余洋，陳盈今，劉立卿，等.大規(guī)模風電接入對電網電壓穩(wěn)定性影響的研究［J].電力科學與工程，2010，26（4）：1-4.

［4]J A Peas Lopes，C L Moreira，A G Madureira.Defining control strategies for microgrids islanded operation［J].Power Systems，IEEE Transactions on，2006，21（2）：916-924.

［5]R Sebastian.Modelling and simulation of a high penetration wind diesel system with battery energy storage［J].International Journal of Electrical Power &Energy Systems，2011，33（3）：767-774.

［6]B Sedaghat，A Jalilvand，R Noroozian.Design of a predictive control strategy for integration of stand-alone wind／diesel system［C]／／Power and Energy（PECon），2010IEEE International Conference on.IEEE，2010：518-522.

［7]J A Carr，J C Balda，H A Mantooth.A survey of systems to integrate distributed energy resources and energy storage on the utility grid［C]／／Energy 2030Conference，2008.ENERGY 2008.IEEE.IEEE，2008：1-7.

［8]T Senjyu，A Uehara，A Yona，et al.Frequency control by coordination control of wind turbine generator and battery using H∞control［C]／／Transmission &Distribution Conference &Exposition：Asia and Pacific，2009.IEEE，2009：1-4.