蘇小玲，韓民曉，Josep M. Guerrero，趙　鑫

(1．華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　102206；2．奧爾堡大學(xué) 能源技術(shù)系，丹麥　9220)

?

基于SMC的交直流混合微電網(wǎng)接口換流器控制系統(tǒng)

蘇小玲1，韓民曉1，Josep M. Guerrero2，趙鑫2

(1．華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206；2．奧爾堡大學(xué) 能源技術(shù)系，丹麥9220)

根據(jù)孤島情況下混合微電網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)建立了接口換流器的數(shù)學(xué)模型并設(shè)計(jì)了基于滑?？刂?Sliding-mode control, SMC)的接口換流器控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)將SMC和比例諧振控制(proportion resonant, PR)相結(jié)合，同時(shí)利用了SMC的快速響應(yīng)性、強(qiáng)魯棒性以及PR控制能夠抑制諧波的優(yōu)點(diǎn)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)可以保證接口換流器在不確定和非線性條件下的魯棒性和快速響應(yīng)，為微電網(wǎng)提供電壓、頻率支撐，保證其孤島后的穩(wěn)定運(yùn)行。

混合微電網(wǎng)；接口換流器；滑?？刂?；比例諧振；魯棒性

0　引　言

分布式電源(Distributed Generation，DG)和負(fù)荷組成小型發(fā)配電系統(tǒng)，以微電網(wǎng)的形式接入大電網(wǎng)與大電網(wǎng)互為支撐，是發(fā)揮DG系統(tǒng)效能的最有效的方式[1-3]。微電網(wǎng)可分為交流、直流以及交直流混合三類；其中，交直流混合微電網(wǎng)既含有交流母線又含有直流母線。根據(jù)DG及負(fù)荷的特點(diǎn)，采用交、直流混合供電的靈活運(yùn)行模式，避免了DG和負(fù)荷接入交流微電網(wǎng)或直流微電網(wǎng)時(shí)需要進(jìn)行多次換流造成的諸多電能質(zhì)量問題。同時(shí)降低了投入成本及損耗，可達(dá)到充分利用DG的目的。

混合微電網(wǎng)中的雙向接口換流器連接著交、直流母線，可根據(jù)實(shí)際需要工作在整流或逆變模式；在交、直流母線之間的功率交換過程中擔(dān)任著支撐和協(xié)調(diào)的角色；對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行及電能質(zhì)量的提高有重要作用[4-7]。雙向接口換流器的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)典型的非線性多輸入多輸出系統(tǒng)，模型中含有狀態(tài)變量和控制變量的乘積，并且狀態(tài)變量間存在耦合。因此，常規(guī)控制策略難以滿足其輸出零穩(wěn)態(tài)誤差、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)、輸入電流畸變小等要求[8]。此外，由于小信號(hào)假設(shè)，常規(guī)線性和非線性控制策略無法適用于大信號(hào)工作條件。當(dāng)出現(xiàn)大的瞬態(tài)變化時(shí)，換流器的行為無法充分地反映出來[9]。同時(shí)，由于間歇性電源和大量非線性設(shè)備的存在，使得接口換流器兩側(cè)都存在擾動(dòng)和諧波，增加了接口換流器的控制難度。

作為一種在設(shè)計(jì)選擇中具有高度靈活性的控制方法，滑?？刂票绕渌蔷€性控制方法更易于實(shí)現(xiàn)[10-12]。文獻(xiàn)[13]利用滑?？刂品€(wěn)定整流器直流側(cè)電壓、保證系統(tǒng)的單位功率因數(shù)。文獻(xiàn)[14]將滑?？刂朴糜趩蜗嗄孀兤鳎槍?duì)逆變器的并網(wǎng)、孤島兩種運(yùn)行方式分別設(shè)計(jì)了控制方法。文獻(xiàn)[15]提出了基于積分滑?？刂破鞯闹苯庸β士刂撇呗?，以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器在非理想電網(wǎng)情況下的輸出功率平穩(wěn)。文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)了一種基于自適應(yīng)滑模控制策略，支持不同運(yùn)行模式下的交流微電網(wǎng)。

在實(shí)際控制系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)參數(shù)變化、外部擾動(dòng)以及檢測(cè)技術(shù)限制等因素的影響，通常難以獲得控制對(duì)象的精確模型，使得傳統(tǒng)滑模控制無法達(dá)到理想的品質(zhì)。而且對(duì)于多控制系統(tǒng), 從到達(dá)條件確定各個(gè)變結(jié)構(gòu)控制是比較困難的。因此，本文在傳統(tǒng)滑?？刂频幕A(chǔ)上，引入了趨近律的概念，規(guī)定了滑?？刂七^程中系統(tǒng)在正常運(yùn)動(dòng)階段的狀態(tài)軌跡。此外，在構(gòu)造滑模面時(shí)加入了諧振項(xiàng)和積分項(xiàng)，可同時(shí)利用SMC的快速響應(yīng)性、強(qiáng)魯棒性以及PR控制能夠抑制諧波的優(yōu)點(diǎn)，積分項(xiàng)則可以減小穩(wěn)態(tài)誤差、削弱抖振。

1　交直流混合微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

混合微電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)為交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)按各自的原則組成微電網(wǎng)，由可四象限運(yùn)行的接口換流器連接，如圖1所示。直流系統(tǒng)為并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)能系統(tǒng)、直流負(fù)荷、光伏系統(tǒng)等DG通過直流母線并聯(lián)。交流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，DG以及負(fù)荷并聯(lián)到交流母線上；混合微電網(wǎng)由交流母線經(jīng)饋線接入電網(wǎng)。

圖1　交直流混合微電網(wǎng)Fig.1　AC/DC hybrid microgrid

微電網(wǎng)并網(wǎng)(一般為配電網(wǎng))運(yùn)行，微電網(wǎng)與主電網(wǎng)之間靈活交換功率；若主電網(wǎng)發(fā)生故障，微電網(wǎng)迅速與主網(wǎng)解列，運(yùn)行于孤島模式；主電網(wǎng)恢復(fù)正常后微電網(wǎng)可再次聯(lián)網(wǎng)，重新進(jìn)入并網(wǎng)運(yùn)行模式。

當(dāng)微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，主電網(wǎng)支撐其電壓、頻率。微電網(wǎng)有主電網(wǎng)這一相對(duì)可靠的能量來源，首先要給儲(chǔ)能系統(tǒng)充電以儲(chǔ)存足夠的電能應(yīng)對(duì)微電網(wǎng)的孤島運(yùn)行。在充分充電的前提下，微電網(wǎng)方可向電網(wǎng)輸送電能。當(dāng)斷路器QF斷開，微電網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行，儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定微電網(wǎng)直流母線電壓。由微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)可知，接口換流器是唯一能夠支撐交流母線電壓、頻率的設(shè)備。因此，由接口換流器控制交流母線電壓和頻率、支持交流側(cè)DG和負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。若交流側(cè)DG的總出力大于負(fù)荷和損耗，由接口換流器將電能輸送至直流側(cè)，由儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)部分電能；反之，儲(chǔ)能系統(tǒng)可輸出功率，補(bǔ)償功率差額。

2　雙向接口換流器模型

2.1接口換流器的電路結(jié)構(gòu)

接口換流器電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，Udc為直流側(cè)電壓，Um表征由直流母線上DG波動(dòng)、系統(tǒng)參數(shù)變化等引起的擾動(dòng)量。u0a，u0b，u0c與i0a，i0b，i0c分別表示交流側(cè)相電壓與電流。La，Lb，Lc和Ca，Cb，Cc為濾波器電感、電容。ra，rb，rc為換流橋、電感及線路等效串聯(lián)電阻rfa，rfb，rfc為濾波電容等效串聯(lián)電阻。ima，imb，imc表征交流母線上DG波動(dòng)、系統(tǒng)參數(shù)變化造成的擾動(dòng)量。

圖2　接口換流器電路結(jié)構(gòu)Fig.2　Typology of the interface convertor

2.2接口換流器的數(shù)學(xué)模型

微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定微電網(wǎng)直流母線電壓。接口換流器的控制目標(biāo)是輸出幅值、頻率一定的正弦波電壓。在SPWM中，載波頻率遠(yuǎn)高于換流器交流側(cè)基波頻率時(shí)，換流橋部分可以看成是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，比例系數(shù)設(shè)為kPWM。因此系統(tǒng)的狀態(tài)方程可表示為

(1)

考慮到微電網(wǎng)中的瞬態(tài)變化、系統(tǒng)參數(shù)變化造成的擾動(dòng)量，式(1)可進(jìn)一步改寫為

(2)

(3)

并且，假設(shè)系統(tǒng)的不確定性有界。

式(2)簡化為

(4)

3　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

滑?？刂频倪\(yùn)動(dòng)過程由兩部分組成：第一段是系統(tǒng)在連續(xù)控制下的正常運(yùn)動(dòng)階段，它在狀態(tài)空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡全部位于切換面以外，或者有限地穿過切換面；第二段是系統(tǒng)在切換面附近且沿切換面向穩(wěn)定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的滑模運(yùn)動(dòng)階段。所有滑動(dòng)模態(tài)段都存在著抖動(dòng)運(yùn)動(dòng)，只有最終滑動(dòng)段才可按極點(diǎn)配置或最優(yōu)控制等方法來保證它的品質(zhì), 而且這一段運(yùn)動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的攝動(dòng)和干擾具有完全的自適應(yīng)性(不變性)。對(duì)正常運(yùn)動(dòng)階段, 僅僅到達(dá)條件，只能保證運(yùn)動(dòng)到達(dá)切換面。完全無法保證這段運(yùn)動(dòng)的品質(zhì), 如快速性及超調(diào)量等[17]。此外, 加在系統(tǒng)上的攝動(dòng)和干擾也將對(duì)這段運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較強(qiáng)烈的影響。因此，本文通過設(shè)計(jì)趨近律，規(guī)定了滑?？刂七^程中系統(tǒng)在正常運(yùn)動(dòng)階段的狀態(tài)軌跡。

在孤島模式下運(yùn)行的微電網(wǎng)是一個(gè)弱系統(tǒng)，短路容量較小，容易受諧波、不平衡等電能質(zhì)量問題的影響。為了減小由參數(shù)不準(zhǔn)和諧波引起的誤差，本文在構(gòu)造滑模面時(shí)加入了諧振項(xiàng)，可同時(shí)利用SMC的快速響應(yīng)性、強(qiáng)魯棒性以及PR控制能夠抑制諧波的優(yōu)點(diǎn)。此外，還加入了積分項(xiàng)，進(jìn)一步減小穩(wěn)態(tài)誤差、削弱抖振。因此，系統(tǒng)的滑模面設(shè)計(jì)為

(5)

式中：η表示狀態(tài)反饋系數(shù)矩陣，β0表示滑模面的積分項(xiàng)系數(shù)、βn表示n次諧振項(xiàng)系數(shù)；euk=Uk-Urefk, Urefk=[ Uk-Urefk]T，euk=u0k-urefk，urefk表示接口換流器交流側(cè)電壓參考值?？紤]到算法的復(fù)雜程度以及控制系統(tǒng)的效果，選擇趨近率為

(6)

將式(5 )代入式(6)，化簡可得

(7)

根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)方程以及式(7)，設(shè)計(jì)接口換流器的控制為

(8)

且

(9)

(10)

式中：W為滿秩常數(shù)矩陣，且WF非奇異；ε為小的正常數(shù)；sign(·)表示符號(hào)函數(shù)。通過選擇合適的狀態(tài)反饋系數(shù)矩陣η以及系數(shù)a，b0，bn可以保證系統(tǒng)的魯棒性，同時(shí)也可以調(diào)整接口換流器的電壓控制特性。

4　仿真分析

4.1系統(tǒng)參數(shù)

利用MATLAB仿真軟件建立圖1中混合微電網(wǎng)的仿真模型，系統(tǒng)參數(shù)見表1。交、直流母線上的DG分別通過逆變器和DC/DC并網(wǎng)，向微電網(wǎng)注入功率。儲(chǔ)能設(shè)備通過雙向DC/DC并網(wǎng)，其運(yùn)行方式由微電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)決定。接口換流器交流側(cè)電壓參考值設(shè)為220 V，50 Hz；直流母線電壓額定值為650 V。

表1　系統(tǒng)參數(shù)

4.2 算例1

微電網(wǎng)孤島運(yùn)行，交流母線上的負(fù)荷為10 kW，DG的輸出功率15 kW，直流母線電壓為額定值。0.1 s直流母線電壓跌落15%，0.2 s直流母線電壓增加為額定值的115%，仿真結(jié)果如圖3-4所示。

圖3　交流母線電壓Fig.3　Voltage waveform of the AC bus

圖4　接口換流器交流側(cè)電流Fig.4　AC current waveform of the interface convertor

仿真結(jié)果表明，直流母線上有大擾動(dòng)時(shí)，接口換流器可以穩(wěn)定交流母線的電壓，保證微電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

4.3算例2

微電網(wǎng)孤島運(yùn)行，交流母線上的負(fù)荷為10 kW，DG的輸出功率4 kW，直流母線電壓為額定值。0.1 s交流母線負(fù)荷減少3 kW，0.2 s交流母線上的3 kW負(fù)荷重新并網(wǎng)，仿真結(jié)果如圖5-6所示。

圖5　交流母線電壓Fig.5　Voltage waveform of the AC bus

圖6　接口換流器交流側(cè)電流Fig.6　AC current waveform of the interface convertor

仿真結(jié)果證明，交流母線上有擾動(dòng)時(shí)，接口換流器可以穩(wěn)定母線電壓、頻率，保證微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷、DG的正常運(yùn)行。

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了證明所提出的控制系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性，本文在dSPACE 1006平臺(tái)上對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示，圖8為實(shí)驗(yàn)電路。

圖7　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.7　dSPACE setup

圖8　實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)Fig.8　Setup topology

實(shí)驗(yàn)電路由 2臺(tái)容量為2.2 kVA 的Danfoss換流器、LCL濾波器及1臺(tái)容量80 kVA的直流電源以及dSPACE 1006控制系統(tǒng)構(gòu)成。換流器經(jīng)LCL濾波器后接入同一條交流母線。換流器采用PWM調(diào)制，載波頻率設(shè)為10 kHz，其他電路參數(shù)與仿真模型一致。換流器1模擬交直流微電網(wǎng)接口換流器，換流器2模擬直流母線上的DG。

5.2實(shí)驗(yàn)1

微電網(wǎng)孤島運(yùn)行，DG的輸出功率為1.5 kW，交流母線上的負(fù)荷由1.68 kW增加為3 kW，圖9為交流母線電壓波形，圖10為接口換流器的交流側(cè)電流波形。

圖9　交流母線電壓波形Fig.9　Voltage waveform of the AC bus

圖10　接口換流器交流側(cè)電流波形Fig.10　AC current waveform of the interface convertor

5.3實(shí)驗(yàn)2

微電網(wǎng)孤島運(yùn)行，DG的輸出功率為1.5 kW，交流母線上的負(fù)荷由3 kW減少為1.68 kW，圖11為交流母線電壓波形，圖12為接口換流器的交流側(cè)電流波形。微電網(wǎng)交流母線電壓始終保持穩(wěn)定；接口換流器交流側(cè)的電流隨交流母線上功率缺額的增加而增大。

圖11　交流母線電壓波形Fig.11　Voltage waveform of the AC bus

圖12　接口換流器電流波形Fig.12　AC current waveform of the interface convertor

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，接口換流器交流側(cè)的電流隨交流母線上功率缺額的變化而變化，而微電網(wǎng)交流母線電壓始終保持穩(wěn)定。

6　結(jié)　論

本文分析了交直流混合微電網(wǎng)孤島在模式運(yùn)行時(shí)，接口換流器的數(shù)學(xué)模型及特性。在此基礎(chǔ)上，提出了基于SMC與PR結(jié)合的接口換流器控制系統(tǒng)，保證微電網(wǎng)在不確定和非線性條件下的魯棒性和穩(wěn)定性。根據(jù)微電網(wǎng)的運(yùn)行特性設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)和仿真算例。在仿真和實(shí)驗(yàn)過程中，微電網(wǎng)交流母線電壓始終保持不變；微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷、DG穩(wěn)定運(yùn)行。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該控制系統(tǒng)的有效性、正確性以及在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。接口換流器為微電網(wǎng)的交流母線提供電壓、頻率支持，保證微電網(wǎng)與主電網(wǎng)解列后仍可穩(wěn)定運(yùn)行。

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Control System for AC/DC Hybrid Micro-grid Interface Convertor Based on SMC

SU Xiaoling1, HAN Minxiao1, Josep M. Guerrero2, ZHAO Xin2

(1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Beijing 102206, China；2.Department of Energy Technology, Aalborg University, Aalborg 9220, Denmark)

Mathematical models of interface convertor are established based on the characteristics of islanding operation in the hybrid micro-grid and the control system for the interface convertor based on sliding-mode control (SMC) is designed in this paper. Combining SMC with the proportion resonant (PR), the control system can take advantage of the following features: fast response, robustness of SMC and the suppression of harmonics of PR. The simulation and experimental results illustrate that the control system can maintain the robustness and fast response of interface convertor under uncertain and nonlinear conditions, which provides voltage and frequency support for micro-grid thus ensures its stable operation after islanding.

hybrid micro-grid; interface convertor; sliding-mode control; proportion resonant; robust

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.04.02

2015-10-26.

中丹國際合作項(xiàng)目 智能直流微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)證(2014DFG72620).

蘇小玲(1986-)，女，博士研究生，主要研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電，微電網(wǎng)技術(shù)；韓民曉(1963-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

TM712

A

1007-2691(2016)04-0008-06