- 頭條浙江工大學者提出一種基于滑模控制的直流微電網一致性控制策略2022-05-04 作者：王宇彬、楊曉東 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語對于含多組蓄電池儲能單元（BSUs）的直流微電網系統，傳統的下垂控制會帶來電壓偏差大、功率分配不平衡等問題。針對上述問題，浙江工業大學信息工程學院、強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學）的研究人員王宇彬、楊曉東、謝路耀、張有兵、徐崇博，在2021年《電工技術學報》增刊2上撰文，提出一種基于一致性算法的多組儲能控制策略。仿真結果表明，孤島直流微電網在應對負載波動以及光伏出力波動等情況下，滑模控制相較于PI控制具有更好的魯棒性及可靠性。
隨著環境問題的日益突出以及可再生能源在電力系統所占比重的逐年上升，分布式能源得到了廣泛的關注。為了更好地解決分布式能源接入電網的問題，學者們引入了微電網的概念。微電網技術代表著未來分布式能源供應系統的發展趨勢，也是未來智能配用電系統的重要組成部分。
在直流微電網中，太陽能光伏（Photovoltaic, PV）、燃料電池和風力渦輪機系統所產生的電能大多是直流電或者非工頻交流電，且直流系統中不存在相位同步、諧波以及無功損耗問題，提升了供電的質量及可靠性。因此，直流微電網得到了快速的發展。
直流微電網作為主網的一部分，既可與交流大電網并網運行，也可獨立運行。在孤島模式下，微電網失去了交流大電網的功率支撐，出力具有不確定性的可再生分布式能源會對母線電壓造成波動，這時通常在微電網中配備一定容量的儲能系統，利用儲能單元的快速充放電特性補償可再生能源和負載之間的功率不平衡，穩定母線電壓。
當在直流微電網中部署多個蓄電池儲能單元（Battery Storage Units, BSUs）時，需要對儲能電池的荷電狀態（State of Charge, SOC）進行控制，以防止SOC超出范圍，并通過將BSUs的SOC值維持在相近水平來延長電池的使用壽命。
對于多儲能系統的控制器一般采取集中式的方法，但是由于集中式控制器的可靠性不高，一旦局部發生故障，會導致整個系統故障，因此對于儲能系統分布式控制的研究也越來越多。目前，對于分布式儲能系統的功率分配所采用的技術大都基于下垂控制。
此外，在微電網運行過程中，BSUs的SOC也在實時發生變化，為了避免單個電池的過充過放和BSUs之間的循環電流，須對系統功率分配進行動態調節，使系統內各組BSUs荷電狀態趨于一致。
- 有學者提出了一種基于自適應的下垂控制用于調節各組BSUs的SOC，可實現SOC水平高的BSU輸出功率大，SOC水平低的BSU輸出功率小，但由于采用了分散式的下垂控制結構，線路阻抗的存在會影響功率分配的精度并且自適應下垂控制導致下垂系數會隨著SOC水平的降低而增大，從而導致母線電壓與參考值的偏差變大。
- 有學者提出了一種規則化的能量管理方法，實現了含多組儲能系統的大規模光伏電站電力調度，但因該種方法基于集中式控制，依賴大規模通信，系統可靠性不高。
- 有學者提出一種主從結構的分布式二次控制器，主控制器用于調節母線電壓，次控制器用于實現SOC均衡以及功率分配。但這種結構的主控制器須保持與各個次控制器的通信，一旦一條通信鏈路發生故障，則會導致控制器失效。
- 有學者提出一種用于直流微電網的新型分散控制器，利用低帶寬通信的可靠性，實現電壓調節與相同的負載分擔，有效地解決了集中式控制器依賴高速通信并且容易發生單點故障、可靠性差、無法滿足即插即用性等問題。
- 有學者提出一種實時更新下垂系數的自適應下垂控制，這種方法使用經典比例積分（Proportional Integral, PI）控制器調整下垂參數。因此，在系統參數或負載條件變化很大的情況下，系統會產生較大的波動。
- 有學者基于粒子群優化（Particle Swarm Optimization, PSO）算法和遺傳算法之類的最佳優化算法來尋找虛擬阻抗的最優值，從而將電流共享誤差降至最低。盡管這種方法不需要通信，但是算法計算量大，導致系統不能在線優化。
在上述背景下，浙江工業大學信息工程學院等單位的科研人員針對多組儲能單元與多組光伏系統構成的孤島直流微電網，提出一種基于滑模控制的直流微電網一致性控制策略。實現了各單元之間的功率合理分配，所采用的分布式控制僅需要系統本地變流器的測量信息以及相鄰變流器節點的測量信息即可使得全局控制變量趨于一致，不依賴于高速通信，可靠性高。系統通過電壓觀測器對系統中的電壓進行觀測，以實現平均直流母線電壓。在二次控制中采用滑模控制（Sliding Mode Control, SMC）用于控制每個變流器的輸出電壓與輸入電流，可以快速地完成輸出電壓以及電流的控制。
圖1 控制框圖
為了評估所提方案在實際中的動態性能，科研人員使用Matlab/ Simulink搭建了含四組變流器、蓄電池及光伏電池的微電網。仿真結果表明，所提分布式控制方案保持了變流器之間依據SOC狀態的精準功率分配，并且在負載動態狀態下也可以將直流母線電壓恢復至參考值。此外在負載投切與PV波動案例分析中，將SMC控制器與傳統PI控制器進行比較，驗證了所提SMC控制器較好的魯棒性以及快速響應，改善了微電網的動態性能。
本文編自2021年《電工技術學報》增刊2，論文標題為“基于滑模控制的直流微電網一致性控制策略”，作者王宇彬、楊曉東 等。
