英语原文共 10 页
基于动态刚度的微电网微源接口控制
摘要-间歇性可再生微能源在所谓的微电网将需要有即插即用功能，因此，需要与本地存储集成。这种交叉耦合非线性系统是一个复杂的系统，目前主要研究的重点是命令跟踪动态。在实践中，这类系统对外部扰动输入的自动化至少起着同样的作用。这篇文章介绍了这种设计的动态刚度方法，并给出了一种具有电池储能的单相光伏微源的动态刚度设计方法。而该方法已应用于在电机驱动方面取得了巨大的成功（变换器加单负荷)和不间断电力系统(变换器加上能量储存)，目前还没有被应用更复杂的情况如本文考虑的微源与嵌入式存储(转换器 能源 存储)。 推导了系统的数学模型并且内部.全局外部扰动和交叉耦合明确地在状态反馈框图中呈现出来了。由此产生的系统显然是有能力防止外部扰动的传播一端到另一端。实验结果是为了验证控制器的运行的可行性。
关键词-电池存储，动态刚度(DS)，储能，微电网，微源，光伏(PV)。
介绍
再生能源发电的分析，控制和规划未来电力网络的一个关键挑战。这样的发电方式是间歇性的，在地理上是分散的，完整的化石燃料发电形成鲜明的对比。此外，英语传统发电方式相比，这种系统需要在配电层与公共网络集成。此外，也需要填补需求和供应之间的缺口。
微电网的概念在这里是很有用的，这是一个小的电力系统，至少在理论上，将可再生能源发电单位与可变输出结合了起来。一个典型的微电网有一些容量较小的发电单元组成（通常在数百个范围内），一个本地配电网，局部保护系统，负载以及公共网络集成单元。微电网通常会与公共网络在同一点集成，并且微电网先进的内部控制会防止微电网内部的动态变化出现在公共网络中。这种控制是复杂的，目前还没有确定的研究方法。原因之一就是与微源的潜在相互作用是非常复杂的。结果表明，该组合为配电网提供了一个极其复杂且难以建模的系统，在考虑多个微源的情况下尤其难以处理。因此，为了降低微电网控制的复杂性，必须尽可能多地消除出现在网络上的源子系统动态，本质上是通过将内部子系统控制器与输出解耦，并确保每个控制器都是解耦的对其他子系统的控制行为不敏感。本文提出了一种通过“动态刚度”(DS)的方法来实现这一目标，因此可以更好地处理这种复杂性，并且比传统的只命令跟踪的基方法有更自动化。这是首次将DS方法应用于集成储能微源，为未来的研究和设计提供了一个框架。在这样的系统中有三个源，即发电、储能和并网逆变器竞相控制直流环节。确保系统对每一个动作和对外部干扰的作用都自动化是重要而复杂的。DS是一个非常有用和灵活的工具来确保。这一应用非常重要，因为这样的微电网电源引入了高度分布式的能源存储，这是一个相对较新的概念，尽管可再生发电微源存在可变性，但这对于确保供应安全是非常有用的。微电网中几乎所有的微源都是通过逆变器连接的，逆变器的内部能量存储是很少的。因此，必须将某种形式的能量储存纳入微电网，以平滑可再生微资源的波动，使其表现良好。存储可以是集中式的，也可以是分布式的，如图1[2]，[5]所示。分布式存储将启用“即插即用”功能，该功能规定任何微源都应该能够在任何位置连接，而不需要对整个结构[进行重大更改。这将引导微电网向的平稳、经济和可持续方面发展，相反，集中式存储解决方案需要在添加微源时对系统升级。
将存储集成到微源接口可以确保微网格的存储容量保持足够，而且还消除了关于“谁为额外的存储买单”的争论。在CERTS微电网中，电池直接耦合到逆变器的直流环节，这种方法的缺点是:1)充电/放电电流控制少 2)电池电压必须等于直流链路电压。其他选项也存在(参见第二节)。已经对三相微源接口进行了大量研究。然而，微网格微源的内部动态特性通常被忽略，只关注微源-微网格的交互。在此基础上，提出了使微源对逆变器微网侧扰动自动反应的复杂技术;但是，微源端通常近似为直流源，忽略了这里的动力学，这可能是复杂的，特别是当包含一个补充能量存储单元时。此外，考虑到微型发电的发展，如光伏(PV)产业，有一个重要的前景，更多的单相连接，如国内的屋顶光伏。然而，这里的焦点也集中在接口间的交互，假设了一个理想的微源具有可忽略的动态，但是如何实现这一点尚未引起人们的重视。即使在考虑了集成微源的子系统交互的中，通常也只关注较长的时间框架(小时)和人机界面以及较长的充电状态管理。
本文提出了一种通过双向变换器实现嵌入式存储的单相微源接口。这消除了存储直接连接到直流链路的缺点，但也需要额外的转换器。由于外部干扰的存在，如微源和微电网瞬态的间歇性功率变化和交叉耦合变量，一种由多个功率电子元件组成的系统变换器的控制也将是一个挑战。这种高度交叉耦合的非线性系统通过状态反馈框图被简化。本文提出的题材的关键点是基于DS的控制器设计。因此，针对复杂的系统开发了简单的控制器，大大减少了从一端到另一端的扰动传播。在基于DS的控制器设计方法中，对系统所受的扰动进行了分析和考虑。其主要目标是使扰动的影响最小化。DS方法通过映射系统的“刚度”来实现对频率的干扰输入。基于DS的控制器设计已被广泛应用于电力驱动控制、不间断电源系统(UPS)设计工业自动化等领域，并且扩展概述在这些参考文献中有给出。当考虑多个微源时，另一个问题是同步。但是，这涉及到补充的系统范围的控制协调，并且超出了本文的范围。
本文第二部分对相关文献接口的解决方案进行了综述。第三节推导了该系统的数学模型。本论文第四部分对基于DS的控制器进行了说明。第五部分给出了实验结果，第六部分给出了结论。
提出微源接口
图2[13]显示了一个具有存储功能的典型微源接口。栅极侧变换器是一种逆变器。根据源的不同，微源侧变换器可以是dc-dc变换器，也可以是ac-dc变换器。
微电网可以在并网模式或自主模式下运行，即，作为一个独立的电力系统。本地电源(s)，无论是微电源或存储，负责在自主模式下控制微电网电压和频率。CERTS微电网中所有的微源都可以使用下垂线控制技术来控制频率和电压，如图3(a)所示。主从控制技术是控制微源的另一种方法。在本技术中，图3(b)中，一个微源在下垂控制下运行，而其他微源在有功和无功(P - Q)参考控制下运行。不止一个微源控制多机从控技术中的电压和频率。这消除了主从方法中主从方法失败所造成的不稳定性
本文考虑的微源接口结构如图4所示，与图2(b)相似。该接口可以根据功能分为两部分。Section-A包括微源和能量存储。b部分由一个并网单相逆变器组成。单相逆变器的主要功能是潮流控制和电网同步，逆变器的输入端是一个刚性直流电压源。
该系统由多个元件组成，这些元件受外界变化的影响，如微源输出随环境条件、存储容量和电网电压的变化而波动。重要的是这些干扰不相互干扰，系统的运行时的动态对这种扰动应该是“刚性的”，尽管这在系统研究中经常被不恰当地忽略。机组良好运行的基础是A段与B段之间的具有良好抗干扰能力接口的直流链路。本文采用基于动态刚度的控制器对所设计的系统进行控制，使系统具有良好的频域寻优能力。为了验证系统的运行，以光伏板为微源，铅酸蓄电池组为存储单元。
系统的数学模型
图5所示为本系统所采用的变换器原理图。一个光伏板连接到改进的正向变换器(MFC)，它提高电压。双向dc - dc变换器(BDC)将电池组和直流链路耦合起来。采用全桥变换器将直流电压转换为交流电压。为了滤除谐波，电感器与逆变器的输出串联。变压器提供电气隔离。
A开关模式转换器的建模与线性化
在一个典型的开关模dc-dc变换器中可以找到两种工作模式，即两种等效电路:(a)开态和(b)关态。占空比，即， d，脉冲宽度调制(PWM)信号决定了每个模式的运行时间。式(1)给出了开关态变换器状态变量(x)、输入(Ui)与扰动(Ud)之间关系的一般表达式。A1和A2是状态矩阵;B1 B2 D1 D2是向量。式(2)由时间得到，其中d = (1 - d)。由式(2)可知，当占空比和状态变量乘项存在时，系统是非线性的。
输出,即y ，根据式(3)，非线性系统的y是变量x1和x2的函数，可以用围绕工作点x1o和x2o的泰勒级数展开。忽略工作点周围的高阶项，可以得到(4)式的线性模型。Delta;y = f (x1, x2)minus;f (x1o x2o)Delta;x1 x1minus;x10和Delta;x2 = x2 =minus;x2o,(5)可以得到
利用这个线性近似，(2)可以表示为(6)其中A = A1Do (1 - Do)A2，B = B1Do (1minus;Do)B2, D = D1Do (1minus;Do) D2，工作点值用下标“o”表示。高阶项与系统的详细突然变化有关。这个系统包含了一些电容式和电感式元素;因此，不同点的电压和流过不同路径的电流会相对较慢，也较小。控制器不会处理非常突然的变化;事实上，这些通常是通过保护系统处理的。因此，在这种情况下忽略高阶项是合理的。
系统的数学模型
MFC和BDC是开关模转换器。MFC的使用状态和断开的等效电路在(1)中。使用模式的状态方程,得到了平均状态方程在（2）中。通过使用(1)-(6)MFC的线性化模型在(7)呈现,操作点模型BDC以同样的方式得到，式子(8)描述了操作点模型。
MFC的输出电流由式(9)给出，BDC的输出电流由式(10)给出。MFC和BDC的占空比分别用Ddc和Dbdc表示。
采用全桥逆变器，采用PWM信号进行控制。输出滤波器决定了逆变器的动态，假设逆变器的动态非常快。因此，逆变器的控制方程如式(11)所示。
控制器信号vc(t)与einv(t)相关(12)。
表I给出了要控制的变量、交叉状态变量和作用于它们的外部干扰转换器
状态反馈框图简化及控制器设计DS
状态反馈框图简化
由表I可知，该微源接口经过线性化后是一个高度交叉耦合的系统。状态反馈状态框图(SFSB)的转换器和提出的控制器如图6所示。可以使用许多技术来解决这个问题
MFC必须控制变换器的输入电压。输入电流和电感电流可以集中在一起作为输入电压控制的扰动，从而简化了SFSB。BDC控制器由两个回路组成。内环控制电池电流和外环控制dc-link电压。在内环的情况下，电池电压和dc-link电压耦合在一起，可以认为是扰动。这里，假设内回路比外回路快，因此可以采用级联控制设计。
将直流环节电压进行前馈测量，可以消除逆变器控制器内部直流环节电压的影响。此外，该控制器还实现了电感电流通过内阻的状态反馈解耦。由于状态反馈框图是状态方程的图形表示形式，因此可以很容易地识别交叉耦合变量和扰动。这使得定义良好的控制器能够在删除交叉耦合变量的同时得到开发。
B基于DS的控制器设计
物理系统的输出可以表示为(13)，其中Y、X和D是输出、输入和干扰。在经典的控制技术中，在设计控制器时忽略了扰动的影响，只考虑命令跟踪。这是以前微网格微源设计人员采用的方法。这忽略了破坏物理系统稳定的关键因素，即扰动。本文利用DS特性进行控制器设计。DS可以定义为单位输出的扰动，见(14)。间接地，DS提供了关于系统抗扰(DR)能力的信息。此外，控制器可以根据干扰的频率响应进行调谐。
逆变器电流控制器DS、MFC输入电压控制器DS、BDC内电流控制器DS、BDC外电压控制器DS分别如式(15)~(18)所示。
在逆变器的情况下，干扰输入解耦将进一步提高系统的DS。假设参数估计和解耦是理想的。很明显，在所有的控制器中，高频DS都是由转换器的内部存储元件决定。低频DS取决于控制器参数。
系统原型的设计和实现
这个原型是用来来评估所提出的微源接口和控制器，并切表二对原型系统的规范进行了量化。该系统采用EMTDC/PSCAD软件建模，并在硬件上实现。采用光伏仿真器作为硬件测试的微源。考虑了SM110-24P光伏板，在标准测试条件下在35v下提供110w。以铅酸蓄电池为存储介质。四个12v的电池串联在一起形成存储。在此分析中，采用开路电压法用于光伏面板的最大功率点跟踪方法。
控制器DS分析
如表三所示，针对不同比例积分(PI)控制器增益，考察逆变器电流控制器的DS。图7和图8显示了电流控制器工作频率附近的DS和命令跟踪响应。随着增益的增加，DS的性能会更好。现在，我们可以考虑命令跟踪。命令跟踪误差相对于理想(单位增益，0-dBcase)随着增益参数的增加而减小。随着增益的增加，相位误差也随之增加。低频指令跟踪近似为(19)，说明了超前相位角及以上问题产生的原因。因此，本应用选择case III的增益作为响应(见图8和表III)和干扰抑制(见图7和表III)之间的让步。总的来说，系统性能比只使用命令跟踪要好
同样，采用DS分析方法开发了MFC和BDC的控制器。图9和图10给出了与MFC和BDC相关的控制器的DS图。表四总结了dc-dc变换器的增益和特征值的位置。
对于所有的控制器，高频DS都是由变频器的本地存储元件决定的。低频DS可由PI控制器增益调节。积分增益负责非常低频的干扰，并使其能够实现无穷大的DS在零频率。DS图清晰地显示了PI控制器的增益对抑制扰动的效果。此外，可以确定受影响更大的频率。在特定的系统中，扰动可能发生在一定的频率范围内，根据该方法，控制器增益可以选择在这些范围内DS较高。在此应用中，逆变器增益的选择就是一个例子。
系统在不同条件下的行为
图11为硬件实现的微源接口图像。为了评价该系统a段的性能，对该系统进行了电阻加载隔离测试。图12为系统响应导致微源电源突然断电。光伏板电压稳定为开路电压[图12(底部曲线)]。作为回应，电池开始放电。这由中间图中的正电流表示。直流环节电压下降，由于光伏输出的损失，但随着电池开始放电，直流链路电压恢复到额定电压
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