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摘要 針對(duì)傳統(tǒng)儲(chǔ)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(chǔ)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(quán)重和學(xué)習(xí)因子的改進(jìn)粒子群算法整定控制器參數(shù)，避免了有功和無功功率的測(cè)量，具有比傳統(tǒng)下垂控制更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。最后，針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)中2臺(tái)并聯(lián)儲(chǔ)能變流器在負(fù)荷突變情況下進(jìn)行了相應(yīng)控制，仿真結(jié)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(tǒng)描述
圖1為儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)能變流器并聯(lián)結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)包含2臺(tái)PCS，它們相互連接并在孤島模式中運(yùn)行。圖1中：Vdc為直流電源電壓；C為直流側(cè)電容，負(fù)責(zé)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(dǎo)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(fù)載三相電流。
圖1 儲(chǔ)能變流器并聯(lián)結(jié)構(gòu)
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(tǒng)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(jié)構(gòu)如圖2所示，由2個(gè)子系統(tǒng)組成，即RLC電路和電壓相關(guān)電流源（voltage dependent current source，VDCS）。圖3描述了死區(qū)函數(shù)和VDCS的特性。
圖2 VOC結(jié)構(gòu)
Fig.2 VOC structure
圖3 死區(qū)函數(shù)和VDCS的特性
Fig.3 Dead zone function and VDCS characteristic
2.2 改進(jìn)的粒子群算法
2.3 改進(jìn)的虛擬振蕩器控制
在傳統(tǒng)VOC中，參數(shù)選擇冗長且耗時(shí)。本節(jié)使用PSO來設(shè)計(jì)VOC的參數(shù)，這易于應(yīng)用并提高了系統(tǒng)性能。
文獻(xiàn)[19]描述了設(shè)計(jì)VOC參數(shù)的過程，主要步驟如下。
1）設(shè)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(diào)整偏置電壓參數(shù) φ ，以確保系統(tǒng)能夠在不同負(fù)載情況下在指定的電壓范圍內(nèi)運(yùn)行。
3）調(diào)整電流增益 ki ，以便在額定操作期間，系統(tǒng)以盡可能低的電壓工作。
4）根據(jù)式（7）選擇振蕩器的 L 和 C參數(shù)。
根據(jù)上述設(shè)計(jì)過程，適應(yīng)度函數(shù)的最小值與參數(shù)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(yīng)度函數(shù)值與迭代次數(shù)之間的關(guān)系。PSO算法的參數(shù)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(shù)
Table 1 Parameters of PSO
3 仿真驗(yàn)證
采用單獨(dú)直流電源的2臺(tái)三相PCS并聯(lián)的仿真模型，并對(duì)孤島運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真，2臺(tái)變流器共享三相平衡負(fù)載，如圖1所示。在Droop和VSM控制器中，電流共享由下垂系數(shù)決定，而在VOC中，則由變流器額定功率決定。設(shè)置仿真初始負(fù)載為2 kW，然后在0.4 s時(shí)增加到3 kW，最后在0.6 s時(shí)恢復(fù)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(diǎn)也是相同的。圖6 a)和b)顯示Droop和VSM中的過零點(diǎn)并不完全匹配。與Droop和VSM控制方法相比，VOC和VOC-PSO方法表現(xiàn)更好。
圖6 均流效果
Fig.6 Current sharing effect
圖7為并網(wǎng)點(diǎn)（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(dāng)負(fù)載在0.4 s和0.6 s突變時(shí)，負(fù)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(dāng)負(fù)載突變時(shí)，傳統(tǒng)虛擬振蕩器控制變流器中的負(fù)載側(cè)電壓變化比Droop和VSM控制方法的負(fù)載側(cè)電壓變化更小，而所提出的改進(jìn)虛擬振蕩器控制也比傳統(tǒng)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(fù)載電流。如上述所述，對(duì)于相同的負(fù)載變化，所有控制器中的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)幾乎相同。然而，與Droop和VSM相比，采用VOC和VOC-PSO的系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能更好?；赩SM的系統(tǒng)比基于Droop的系統(tǒng)具有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。VOC中的所有變流器具有相同的電流過零點(diǎn)，而Droop和VSM中的過零點(diǎn)位置不同。
圖8 負(fù)載電流
Fig.8 Load current
圖9顯示了負(fù)載擾動(dòng)期間，采用上述4種不同控制機(jī)制時(shí)的系統(tǒng)頻率響應(yīng)?？梢钥闯?，在Droop控制中，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，系統(tǒng)頻率突然下降，導(dǎo)致頻率變化率較大，這表明穩(wěn)定性較差（可能導(dǎo)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(shí)時(shí)電流反饋信號(hào)，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(fù)載變化的頻率響應(yīng)
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(shí)域控制方法，不需要進(jìn)一步功率計(jì)算。因此，VOC和VOC-PSO的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比Droop和VSM控制更快，而基于VSM的系統(tǒng)比基于Droop的系統(tǒng)具有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。上述4種控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如表2所示，其中tr、ts和ess分別為上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差。與傳統(tǒng)VOC方法相比，所提出的VOC-PSO方法的響應(yīng)更快。
圖10 有功功率對(duì)負(fù)載變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)
Fig.10 Active power's dynamic response to load changes
表2 Droop、VSM、VOC和VOC-PSO的動(dòng)態(tài)響應(yīng)
Table 2 Dynamic response of Droop、VSM、VOC and VOC-PSO
4 結(jié)論
本文對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)能變流器并聯(lián)控制技術(shù)進(jìn)行了研究，分析了儲(chǔ)能變流器多機(jī)并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，探討了負(fù)載突變情境下儲(chǔ)能變流器控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。主要結(jié)論如下。
1）通過非線性慣性權(quán)重和異步動(dòng)態(tài)調(diào)整學(xué)習(xí)因子來避免傳統(tǒng)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(zhǔn)確的解。且粒子群算法能提供優(yōu)越的VOC設(shè)計(jì)參數(shù)，使得所提出的VOC-PSO比傳統(tǒng)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(zhǔn)確。在Matlab仿真中，VOC-PSO的動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(dú)立于負(fù)載特性和變流器數(shù)量之外，表明了其在不同系統(tǒng)配置下的適應(yīng)性。
VOC-PSO具備構(gòu)網(wǎng)支撐能力，能夠維持電網(wǎng)電壓和頻率穩(wěn)定，對(duì)于有功功率的跟蹤也較為精準(zhǔn)，但是對(duì)于無功功率的控制是VOC-PSO所面臨的難題，后續(xù)會(huì)對(duì)基于VOC-PSO的無功功率準(zhǔn)確跟蹤做進(jìn)一步研究?？紤]到改變控制策略需要對(duì)現(xiàn)有儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)軟件進(jìn)行修改，本文基于現(xiàn)有系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)分析，能量管理系統(tǒng)優(yōu)化也值得后續(xù)深入研究。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，如需要請(qǐng)查看原文。
