徐 巖， 王晨光， 呂泉成， 陳澤雄， 黎洪光， 陳文煒， 關(guān)俊樂， 鄧 明

（1.新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)）， 河北 保定 071003； 2.廣州供電局有限公司， 廣東廣州 510620）

0 引言

微電網(wǎng)（MG）是指微小電網(wǎng)，在主要電力故障發(fā)生時(shí)可以孤島運(yùn)行， 增強(qiáng)其獨(dú)立運(yùn)行的能力成為保障電力輸送的關(guān)鍵問題[1]。 MG 的獨(dú)立運(yùn)行稱為孤島運(yùn)行模式， 它可以有效利用可再生能源（燃料電池、微型渦輪發(fā)電機(jī)、沼氣、光伏陣列和風(fēng)力渦輪機(jī)[2]～[4]等）產(chǎn)生的電能。 MG 的快速可靠性能主要來源于分布式發(fā)電（Distributed Generation， DG） 的 正 常 運(yùn) 行，風(fēng)速、光照強(qiáng)度等[5]因素的變化會(huì)降低MG 運(yùn)行的安全系數(shù)。

在調(diào)節(jié)MG 系統(tǒng)的電壓和電流方面，文獻(xiàn)[6]引入H-infinity 控制器來調(diào)節(jié)MG 系統(tǒng)的電壓。文獻(xiàn) [7] 提出了使用線性二次調(diào)節(jié)器（Linear Quadratic Regulator，LQR）以獲得MG 系統(tǒng)的準(zhǔn)確快速響應(yīng)。 LQR 通過均值定理對(duì)標(biāo)稱系統(tǒng)進(jìn)行線性化，隨著動(dòng)態(tài)變化，缺乏魯棒性。 文獻(xiàn)[8]，[9]研究了使用比例積分微分 （Proportional Integral Derivative，PID）或比例積分（Proportional Integral，PI）控制器來控制MG 系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓。 PID 控制器具有優(yōu)良的瞬態(tài)響應(yīng)，可在實(shí)際輸出中減少穩(wěn)態(tài)誤差，但魯棒性差和帶寬低限制了其推廣及應(yīng)用[10]。

本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)各種負(fù)載動(dòng)態(tài)變化的控制器。 首先介紹了用于單相和三相孤島MG 電壓和電流的模型參考自適應(yīng)PID 控制器；然后基于該參考模型、控制器和自適應(yīng)機(jī)制三個(gè)基本參數(shù)，通過選擇參考模型， 進(jìn)一步設(shè)計(jì)了模型參考修正的自適應(yīng)PID 控制器；最后通過MATLAB 仿真軟件，評(píng)估了所設(shè)計(jì)的PID 控制器對(duì)MG 系統(tǒng)的單相和三相模式的性能。

1 孤島MG 控制設(shè)計(jì)

1.1 MG 配置

DG 單元的主要器件是電壓源逆變器（Voltage Source Inverter， VSI）， 其中金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管或絕緣柵雙極晶體管被用作開關(guān)元件[11]，開關(guān)動(dòng)作由開關(guān)電壓Vsw和直流母線電壓Vdc進(jìn)行平均分配。 為消除噪聲，濾波器直接連接到VSI 單元， 以確保更高的系統(tǒng)效率。 三相MG 系統(tǒng)的DG 單元包含VSI，RL 串聯(lián)濾波器、變壓器和負(fù)載[12]。為減少負(fù)載的諧波，使用電容器Ct將內(nèi)部振蕩器控制在固定頻率。

1.2 電壓控制方式

VSI 控制系統(tǒng)由內(nèi)部控制回路與外部控制回路兩個(gè)控制系統(tǒng)組成， 兩者控制MG 的電壓和電流的幅度。內(nèi)部控制環(huán)路為電流控制器，對(duì)信號(hào)做出快速響應(yīng)， 參考信號(hào)的幅度和頻率由調(diào)制指數(shù)和載波頻率決定[13]；外部控制回路是維持跟蹤性能的電壓控制器， 該電壓控制器將電網(wǎng)電壓與參考電壓進(jìn)行比較， 誤差被饋送至電壓控制器和電感線圈，與實(shí)際電流相比，保持MG 對(duì)負(fù)載動(dòng)態(tài)變化的跟蹤。

1.3 單相MG 建模

電感兩端的電壓為

1.4 三相孤島MG

2 控制器設(shè)計(jì)

基于可調(diào)控制器參數(shù)， 本文開發(fā)和設(shè)計(jì)了模型參考修正的自適應(yīng)PID 控制器及其控制策略。參考模型、 控制器和自適應(yīng)機(jī)制是控制器的主要組成部分[16]，其中自適應(yīng)機(jī)制通過比較參考模型和工廠模型獲得，本文采用了MIT 規(guī)則（可調(diào)參數(shù)的變化與成本函數(shù)的關(guān)系稱為MIT 規(guī)則）[17]來擴(kuò)展自適應(yīng)機(jī)制。

對(duì)于控制器，針對(duì)未知參數(shù)設(shè)計(jì)了閉環(huán)系統(tǒng)，參數(shù)可根據(jù)參考模型調(diào)整響應(yīng)，成本函數(shù)J（θ）推導(dǎo)為

3 性能評(píng)估

本文使用MATLAB 仿真軟件，評(píng)估模型參考的自適應(yīng)PID 控制器對(duì)MG 系統(tǒng)的單相和三相模式的性能，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行討論和分析。

3.1 單相MG 的性能評(píng)估

單相MG 的直流電源電壓為300 V， 電容為15 μF，電感為2 mH，線路電阻為Rline=0.45 Ω，負(fù)載電阻Rload=40 Ω。

圖2 為不同類型的單相MG 負(fù)載的電路圖。圖3 為電壓控制的仿真結(jié)果。從圖3 可以看出，與自適應(yīng)控制器相比，模型參考的自適應(yīng)PID 控制器實(shí)現(xiàn)了更好的電壓跟蹤， 能夠產(chǎn)生更高的有功功率。

圖2 單相MG 負(fù)載的電路圖Fig.2 Circuit diagram of single phase load

負(fù)載與MG 并聯(lián)， 設(shè)計(jì)的控制器針對(duì)諧波負(fù)載的性能如圖4（a）和（b）所示，在電壓跟蹤方面，可確?？刂破鞯目煽啃院透咝阅?。 從圖4（c）可以看出，與自適應(yīng)控制器相比，本文所提出的控制器在提高有功功率方面的有效性。 在異步電機(jī)運(yùn)行期間，其有功功率和無功功率會(huì)連續(xù)變化，從而導(dǎo)致MG 的性能下降。 模型參考的自適應(yīng)PID 控制器通過減少圖4（d）和（e）所示的電壓和電流來提高M(jìn)G 的跟蹤性能。從圖4（f）可以得知，與自適應(yīng)控制器相比，模型參考修正的自適應(yīng)PID 控制器可以有效地改善有功功率。 動(dòng)態(tài)負(fù)載連接到MG，其有功功率和無功功率分別為50 MW 和25 MW[圖4（g）和（h）]。 控制器對(duì)于有功功率的改善性能如圖4（i）所示。

3.2 三相MG 的性能評(píng)估

與單相MG 相比， 控制變量的增加使三相控制更具挑戰(zhàn)性。 三相MG 負(fù)載的電路圖如圖5 所示。

圖5 三相MG 負(fù)載的電路圖Fig.5 The circuit diagram of three-phase mg load

本文使用各種負(fù)載測量用戶負(fù)載的動(dòng)態(tài)性能的結(jié)果如圖6（a）～（c）所示。 分析結(jié)果表明，模型參考修正的自適應(yīng)PID 控制器能夠像單相MG 一樣提供高性能，將三相MG 系統(tǒng)的電壓、電流和功率控制在所需的范圍內(nèi)。

圖6 模型參考的自適應(yīng)PID 控制器的閉環(huán)性能Fig.6 The closed loop performance of the controller

三相未知負(fù)載由開關(guān)、 電阻、 電容和電感組成，開關(guān)在0.5 s 后更改負(fù)載參數(shù)，未知負(fù)載會(huì)更改負(fù)載電壓、電流和功率。模型參考修正的自適應(yīng)PID 控制器在未知負(fù)載條件下的性能如圖6（d）～（f）所示，可以看出，該控制器能夠在0.52 s 后恢復(fù)電壓、電流和功率偏差，從而確保三相孤島MG的安全運(yùn)行。

三相非線性系統(tǒng)由六脈沖二極管橋式整流器組成[20]，該二極管連接到PCC 的時(shí)間為0.35～0.36 s。 圖6（g）～（i）顯示了模型參考修正的自適應(yīng)PID控制器對(duì)非線性負(fù)載的有效性。從圖中可以看出，該控制器能夠滿足三相MG 系統(tǒng)的要求， 比自適應(yīng)控制器具有更好的跟蹤性能。 對(duì)于三相孤島MG，所設(shè)計(jì)的控制器性能得到顯著的提高。 三相平衡負(fù)載由3 kW 的有功功率和60 V 的額定相間電壓產(chǎn)生。 在0.3～0.31 s，將負(fù)載施加到MG 系統(tǒng)，圖6（j）～（l）顯示，控制器能夠?qū)⒇?fù)載電壓、電流和功率平衡到所需水平。

4 結(jié)論

本文提出了一種模型參考修正的自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計(jì)， 以增強(qiáng)孤島MG 的電壓和電流控制。將該控制器應(yīng)用于單相和三相孤島MG 控制，通過使用負(fù)載動(dòng)態(tài)參數(shù)（諧波負(fù)載、動(dòng)態(tài)負(fù)載、異步電機(jī)負(fù)載和非線性負(fù)載） 對(duì)控制器的性能進(jìn)行測試。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制器能夠在單相和三相MG 系統(tǒng)中安全運(yùn)行，具備較高的跟蹤性能。