吳 俊, 丁玉成, 丁冠西
(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,遼寧 葫蘆島125105;2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 遼陽供電公司,遼寧 遼陽 111000)
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微網(wǎng)超級電容器儲能系統(tǒng)的滑模控制策略研究
吳 俊1, 丁玉成1, 丁冠西2
(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,遼寧 葫蘆島125105;2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 遼陽供電公司,遼寧 遼陽 111000)
為改善微網(wǎng)運行不穩(wěn)定的問題,針對與微網(wǎng)連接的超級電容器組儲能裝置的控制策略進行研究。儲能裝置由超級電容器組通過雙向DC/DC變換器連接DC/AC變換器,通過濾波、升壓后連入電網(wǎng)。通過對雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器滑??刂频难芯?,使得任意操作條件均能正常工作,同時對運行中的穩(wěn)定性進行了分析。最后,在Matlab中Simulink搭建儲能系統(tǒng)仿真模型,驗證了本文控制策略的可行性。
微網(wǎng); 超級電容器; 儲能; 滑模控制
隨著分布式電源的大量接入電網(wǎng),使得傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運行方式發(fā)生改變。微網(wǎng)是分布式電源接入電網(wǎng)的較好解決方案[1]。微電網(wǎng)內(nèi)部電源主要由電力電子器件負(fù)責(zé)能量的轉(zhuǎn)換,并提供必須的控制。微電網(wǎng)相對于外部電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元,可同時滿足用戶對電能質(zhì)量和供電安全的要求[2]。微網(wǎng)相對于大電網(wǎng)存在著并網(wǎng)運行,解列獨立運行,重新并網(wǎng)等多種運行狀態(tài)。對于微網(wǎng)的穩(wěn)定運行,儲能系統(tǒng)起到了很大的作用,作為實現(xiàn)剛性電力系統(tǒng)柔性化調(diào)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)和實現(xiàn)隨機非平滑輸出特性的新能源柔性接入電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,以及作為未來智能電網(wǎng)的重要組成部分,其在電力系統(tǒng)中的作用越來越重要。儲能系統(tǒng)可以平抑微網(wǎng)的功率波動,微網(wǎng)孤網(wǎng)運行時保持微網(wǎng)的頻率穩(wěn)定;在微網(wǎng)內(nèi)部電壓波動時,儲能系統(tǒng)可以提供無功補償,提高電能質(zhì)量。
由于微電網(wǎng)規(guī)模較小,系統(tǒng)慣性不大,網(wǎng)絡(luò)以及負(fù)荷經(jīng)常發(fā)生波動就顯得十分嚴(yán)重,對于整個微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行造成影響。超級電容器儲能系統(tǒng)可以在負(fù)荷低落時存儲電源的多余電能,而在負(fù)荷高峰時回饋給微電網(wǎng)以調(diào)整功率需求。
針對系統(tǒng)故障引發(fā)的瞬時停電,電壓驟降、驟升等問題,本文利用超級電容器提供快速功率緩沖,吸收或補充電能,提供有功功率支撐進行有功或無功補償,以穩(wěn)定、平滑電網(wǎng)電壓波動[3]。
如圖1所示,超級電容儲能裝置主要包括超級電容器組、雙向DC/DC 變換器、DC/AC逆變器以及控制單元。整個裝置并聯(lián)在微網(wǎng)中的電源與負(fù)荷之間的母線上。超級電容器組通過buck-boost雙向DC/DC電路升壓連接一個三相DC/AC逆變器[4],經(jīng)過濾波后變壓升壓至電網(wǎng)。
超級電容儲能系統(tǒng)的基本原理[5]是:正常工作時,超級電容器組將整流器提供的直流能量以電場能的形式儲存起來,當(dāng)微網(wǎng)中出現(xiàn)故障或負(fù)荷功率波動較大時,再通過逆變器將存儲的能量釋放出來,準(zhǔn)確快速地補償系統(tǒng)所需要的有功和無功[6],從而使電能得到平衡與穩(wěn)定的控制。
圖1 超級電容器組儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
如果逆變出來的電壓高于系統(tǒng)電壓,逆變器就向系統(tǒng)提供功率;反之,則吸收功率。由于在充放電過程中超級電容器組兩端的電壓變化范圍很大,并且超級電容器具有功率雙向限流動的儲能和釋能的特點,因此,必須通過功率變換器將超級電容器組接入直流高壓側(cè),以提供恒定的直流母線電壓。圖2所示為雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),儲能側(cè)電壓高于直流側(cè)電壓UDC,在降壓模式時向儲能裝置提供功率,在升壓模式時向儲能裝置吸收功率[7]。
由圖2可知,系統(tǒng)依賴于開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)來實現(xiàn)對雙向DC/DC變換器升壓模式與降壓模式的控制從而實現(xiàn)能量流動方向的改變。這兩種模式可以由統(tǒng)一模型來表達
(1)
式中Sω=1為開關(guān)閉合狀態(tài),Sω=0為打開。當(dāng)Sω<50 %時,說明雙向DC/DC變換器工作模式為降壓,反之為升壓。
超級電容器組儲能裝置控制須考慮3種條件[8,9]:
1)啟動狀態(tài):超級電容器從0A充電至恒定電流過程;此時雙向DC/DC變換器工作在降壓模式,滑動面選取為S(IL)=ISCmax-IL=0,加入開關(guān)狀態(tài)為Sω=(sign(ISCmax-IL)+1)/2,得到等效控制結(jié)果為
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(2)
式(2)在滑模域內(nèi)滿足0≤Sωeq≤1,0≤UES≤UDC成立。
(3)
(4)
(5)
在滑模域內(nèi)應(yīng)滿足
(6)
成立。將等效控制結(jié)果代入式(1)中,有
(7)
4) 綜合控制策略:選取的開關(guān)切換率為Sω=(sign(Iref,i-IL)+1)/2當(dāng)啟動狀態(tài)時,有
Iref1=ISCmax
(8)
當(dāng)恒功率狀態(tài)時,有
(9)
當(dāng)電壓下限模式時,有
(10)
當(dāng)電壓上限模式時,有
(11)
仿真數(shù)據(jù)設(shè)為直流母線電壓UDC為700V,電感LES為4.3mH,直流側(cè)電容CDC為2mF,超級電容器組電容CES為1.7F,串聯(lián)電阻為120mΩ,最大電壓絕對值570V,最小運行電壓200V,最大輸出電流19A。
啟動狀態(tài):超級電容器預(yù)充電達到恒定電流,直到達到最低工作電壓。將超級電容器預(yù)充電電流設(shè)定為10A。圖3(a)所示為啟動時,電流升至10A,圖3(b)所示為超級電容器組電壓升至200V。圖4(a) 所示為雙向DC/DC正常工作時,超級電容器平均功率,圖4(b)所示為電感電流波形。圖5所示為將超級電容器電壓維持在400V,電感電流情況。
圖3 啟動過程波形
圖4 恒功率過程波形
圖5 電壓限制時波形
從仿真分析圖中可知,針對雙向DC/DC變換器的滑模控制,可以實現(xiàn)任意條件下滿足微網(wǎng)正常工作。因此,滑??刂齐p向DC/DC變換器調(diào)控超級電容器儲能系統(tǒng)可行。
針對微網(wǎng)超級電容器儲能系統(tǒng)控制策略的問題,通過對超級電容器儲能裝置結(jié)構(gòu)和控制策略兩方面進行研究,提出了將滑??刂齐p向DC/DC變換器控制策略應(yīng)用到微網(wǎng)超級電容器儲能系統(tǒng)中,能夠在滿足在任意操作條件下正常工作。通過仿真實驗驗證了方案的可行性與正確性,具有良好的實用價值和應(yīng)用前景。
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Research on sliding mode control strategy for micro network super capacitor energy storage system
WU Jun1, DING Yu-cheng1, DING Guan-xi2
(1.Faculty of Electrical and Control Engineering,Liaoning Technical University,Huludao 125105,China;2.State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd,Liaoyang Power Supply Company,Liaoyang 111000,China)
To avoid the instability of micro-grid operation,research on control strategy for super capacitor bank energy storage device connected to the micro-grid is carried out.Energy storage device connects DC/AC converter by super capacitor bank throughing bidirectional DC/DC converter,through filtering, even after boosting connect into grid.By studying on control of bidirectional DC/DC converter sliding mode,it makes it possible to work under any operating conditions,and to analyze on running stability.Bye Matlab,Simulink simulation model for energy storage system is built to verify the feasibility of the control strategy.
micro-network; super capacitors; energy storage; sliding mode control
10.13873/J.1000—9787(2017)07—0026—03
2016—06—30
TM 71
A
1000—9787(2017)07—0026—03
吳 俊(1990-),男,碩士研究生,研究方向為電接觸理論及其應(yīng)用。