中國儲能網訊：
摘要 針對傳統儲能變流器控制方法存在的同步速度較慢、有功功率跟蹤效果欠佳的問題，提出了一種基于虛擬振蕩器控制的儲能變流器控制策略。該策略基于虛擬振蕩器控制，采用優(yōu)化慣性權重和學習因子的改進粒子群算法整定控制器參數，避免了有功和無功功率的測量，具有比傳統下垂控制更好的動態(tài)響應。最后，針對儲能系統中2臺并聯儲能變流器在負荷突變情況下進行了相應控制，仿真結果表明，所提新型控制方法具有更快的同步速度和更好的有功功率跟蹤性能。
1 系統描述
圖1為儲能系統中儲能變流器并聯結構圖，該系統包含2臺PCS，它們相互連接并在孤島模式中運行。圖1中：Vdc為直流電源電壓；C為直流側電容，負責平滑直流總線電壓；Lf、Cf和Rf分別為濾波器電感、電容和電阻；ron為IGBT導通電阻；Vta、Vtb和Vtc為變流器的端子三相電壓；Vsa、Vsb和Vsc為濾波之后的三相電壓；Ifa、Ifb、Ifc為電容三相電流；ILa、ILb、ILc為負載三相電流。
圖1 儲能變流器并聯結構
Fig.1 Parallel structure of power conversion system
2 基于粒子群算法的虛擬振蕩器控制
2.1 傳統虛擬振蕩器控制
VOC受到非線性耦合振蕩器同步的影響，其結構如圖2所示，由2個子系統組成，即RLC電路和電壓相關電流源（voltage dependent current source，VDCS）。圖3描述了死區(qū)函數和VDCS的特性。
圖2 VOC結構
Fig.2 VOC structure
圖3 死區(qū)函數和VDCS的特性
Fig.3 Dead zone function and VDCS characteristic
2.2 改進的粒子群算法
2.3 改進的虛擬振蕩器控制
在傳統VOC中，參數選擇冗長且耗時。本節(jié)使用PSO來設計VOC的參數，這易于應用并提高了系統性能。
文獻[19]描述了設計VOC參數的過程，主要步驟如下。
1）設置電壓增益kv以生成PCS所需的輸出電壓，即kv=圖片（Vrated為額定電壓）。
2）調整偏置電壓參數 φ ，以確保系統能夠在不同負載情況下在指定的電壓范圍內運行。
3）調整電流增益 ki ，以便在額定操作期間，系統以盡可能低的電壓工作。
4）根據式（7）選擇振蕩器的 L 和 C參數。
根據上述設計過程，適應度函數的最小值與參數值的最佳集合相匹配。
基于粒子群算法的虛擬振蕩器控制變流器的流程如圖4所示，而圖5顯示了虛擬振蕩器控制變流器適應度函數值與迭代次數之間的關系。PSO算法的參數值見表1。
圖4 VOC-PSO控制流程
Fig.4 VOC-PSO control flow chart
圖5 VOC-PSO的收斂曲線
Fig.5 Convergence curve of VOC-PSO
表1 PSO參數
Table 1 Parameters of PSO
3 仿真驗證
采用單獨直流電源的2臺三相PCS并聯的仿真模型，并對孤島運行狀態(tài)進行仿真，2臺變流器共享三相平衡負載，如圖1所示。在Droop和VSM控制器中，電流共享由下垂系數決定，而在VOC中，則由變流器額定功率決定。設置仿真初始負載為2 kW，然后在0.4 s時增加到3 kW，最后在0.6 s時恢復到2 kW。圖6為均流效果，可以看出，VOC和VOC-PSO中的電流共享很明顯，圖6 c)和d)中的電流過零點也是相同的。圖6 a)和b)顯示Droop和VSM中的過零點并不完全匹配。與Droop和VSM控制方法相比，VOC和VOC-PSO方法表現更好。
圖6 均流效果
Fig.6 Current sharing effect
圖7為并網點（point of common coupling，PCC）電壓，可以看出，Droop、VSM、VOC和VOC-PSO中變流器輸出電壓同步。在Droop和VSM中，當負載在0.4 s和0.6 s突變時，負載電壓的變化大于VOC和VOC-PSO中的變化。VOC概念基于死區(qū)振蕩器，它能保持恒定的輸出電壓和頻率。因此，當負載突變時，傳統虛擬振蕩器控制變流器中的負載側電壓變化比Droop和VSM控制方法的負載側電壓變化更小，而所提出的改進虛擬振蕩器控制也比傳統VOC控制具有更快的輸出電壓同步能力。
圖7 PCC電壓
Fig.7 PCC voltage
圖8為上述4種控制方法的負載電流。如上述所述，對于相同的負載變化，所有控制器中的穩(wěn)態(tài)響應幾乎相同。然而，與Droop和VSM相比，采用VOC和VOC-PSO的系統的動態(tài)性能更好。基于VSM的系統比基于Droop的系統具有更好的動態(tài)響應。VOC中的所有變流器具有相同的電流過零點，而Droop和VSM中的過零點位置不同。
圖8 負載電流
Fig.8 Load current
圖9顯示了負載擾動期間，采用上述4種不同控制機制時的系統頻率響應?？梢钥闯觯贒roop控制中，當負載變化時，系統頻率突然下降，導致頻率變化率較大，這表明穩(wěn)定性較差（可能導致不必要的繼電器跳閘）。VSM控制的頻率變化率低于Droop和VOC。由于VOC使用實時電流反饋信號，頻率的變化率比VSM高得多。與Droop和VSM相比，VOC和VOC-PSO的穩(wěn)態(tài)頻率誤差更低。
圖9 負載變化的頻率響應
Fig.9 Frequency response to load changes
圖10顯示了Droop、VSM、VOC和VOC-PSO的有功功率跟蹤效果。VOC是一種時域控制方法，不需要進一步功率計算。因此，VOC和VOC-PSO的動態(tài)響應比Droop和VSM控制更快，而基于VSM的系統比基于Droop的系統具有更好的動態(tài)響應。上述4種控制器的動態(tài)響應如表2所示，其中tr、ts和ess分別為上升時間、調節(jié)時間和穩(wěn)態(tài)誤差。與傳統VOC方法相比，所提出的VOC-PSO方法的響應更快。
圖10 有功功率對負載變化的動態(tài)響應
Fig.10 Active power's dynamic response to load changes
表2 Droop、VSM、VOC和VOC-PSO的動態(tài)響應
Table 2 Dynamic response of Droop、VSM、VOC and VOC-PSO
4 結論
本文對儲能系統中儲能變流器并聯控制技術進行了研究，分析了儲能變流器多機并聯的結構，探討了負載突變情境下儲能變流器控制的動態(tài)響應。主要結論如下。
1）通過非線性慣性權重和異步動態(tài)調整學習因子來避免傳統粒子群算法容易陷入局部最優(yōu)的問題，用此方法能收斂到較為準確的解。且粒子群算法能提供優(yōu)越的VOC設計參數，使得所提出的VOC-PSO比傳統VOC具有更快的同步速度。在所提出的控制方法中，有功功率跟蹤更加準確。在Matlab仿真中，VOC-PSO的動態(tài)響應優(yōu)于Droop和VSM控制。
2）在孤島式模式中，所有控制方案都不需要變流器之間的通信，且VSM中頻率的變化較小。其中，VOC-PSO控制在同步和電流共享方面，相較于其他控制方法有一定的優(yōu)越性。此外，VOC控制中的同步條件獨立于負載特性和變流器數量之外，表明了其在不同系統配置下的適應性。
VOC-PSO具備構網支撐能力，能夠維持電網電壓和頻率穩(wěn)定，對于有功功率的跟蹤也較為精準，但是對于無功功率的控制是VOC-PSO所面臨的難題，后續(xù)會對基于VOC-PSO的無功功率準確跟蹤做進一步研究。考慮到改變控制策略需要對現有儲能能量管理系統軟件進行修改，本文基于現有系統參數進行仿真設計分析，能量管理系統優(yōu)化也值得后續(xù)深入研究。
注：本文內容呈現略有調整，如需要請查看原文。
