儲能雙向變流器控制建模與教學仿真

聶曉華， 劉一丹， 彭亦偉

（南昌大學信息工程學院，南昌 330031）

0 引 言

作為儲能裝置和電網的中間接口，雙向變流器在穩(wěn)定電壓、提高電能質量方面起著重要作用，是智能電網建設和運行的重要發(fā)展方向。對于變流器來說，控制環(huán)節(jié)是決定其輸出電能質量的好壞的重要環(huán)節(jié)［1］，

文獻［2］中分析了變流器孤島和并網模式的控制方法，設計了基于比例積分（proportional integral，PI）參數(shù)控制的調節(jié)器控制系統(tǒng)，驗證了PI 控制方法的可行性。文獻［3］中分析了變流器并網模式的控制方法，設計出基于恒功率PQ控制的調節(jié)器控制系統(tǒng)。還有很多其他的控制方式，如準比例諧振（Quasi Proportional Resonance，QPR）［4］控制、比例諧振（Proportional Resonance，PR）［5］控制和下垂控制［6］等。對于控制器來說，最重要的就是控制參數(shù)的選取，近年來，隨著智能算法的發(fā)展，利用智能算法尋找控制器最優(yōu)參數(shù)已是常態(tài)，文獻［7］中提出了編織優(yōu)化算法對PI控制器參數(shù)的整定尋優(yōu)，實驗表明，該算法響應快，尋優(yōu)能力強。文獻［8］中提出了一種改進粒子群優(yōu)化（Particle Optimization with Multiswarm and Multiple Velocity Update Methods，MMPSO）算法，將其應用于單向變流器系統(tǒng)的優(yōu)化目標函數(shù)中，驗證了該算法實用性強，收斂速度快的優(yōu)點。本文提出采用麻雀搜索（Sparrow Search Algorithm，SSA）算法［9］優(yōu)化變流器控制器參數(shù)的方法，在Matlab/Simulink中對儲能雙向變流器控制系統(tǒng)進行建模仿真，將麻雀群體尋優(yōu)后的參數(shù)應用于儲能雙向變流器控制系統(tǒng)中，得到的仿真結果驗證了基于SSA算法的儲能雙向變流器控制方法的合理性和有效性。

1 儲能雙向變流器工作原理

1.1 主電路結構

本文選用的是電壓型三相橋式變流器，主電路結構如圖1 所示，此電路的工作原理主要是利用改變PWM輸出波形，來控制圖中S1～S6的導通與截止，實現(xiàn)當電網向負載供電時，電流反向傳輸，負載向電網提供電能時，電流正向傳輸。由濾波電感Ln和濾波電容Cn構成的LC 濾波器連接在變流器的輸出端，用來吸收變流器開關帶來的諧波，在直流側并聯(lián)的大電容Cd，能使蓄電池電壓Udc處于恒定狀態(tài)，同時也可以提供無功電流回路。

圖1 儲能雙向變流器主電路結構圖

1.2 儲能雙向變流器數(shù)學模型

儲能雙向變流器電網側三相相電動勢分別為ea、eb、ec，基波電流分別為ia、ib、ic，Udc為蓄電池電壓，ω為基波角頻率。經過Clark 變換后得到兩相靜止坐標下的方程，再經Park變換，整理得到雙向變流器在dq旋轉坐標系下的數(shù)學模型：

1.3 控制策略

1.3.1 孤島運行模式

當儲能雙向變流器處于孤島模式時，沒有電網電源的支持，為能給負載提供電能質量良好的三相交流電，對變流器采用恒壓、恒頻控制方法，即輸出電壓、頻率恒定，且無較大諧波?，F(xiàn)設計出PI 控制的電壓、電流雙閉環(huán)控制方法。由于dq軸之間的耦合較小，因此下列控制系統(tǒng)均以d軸為參考。其控制線性結構圖如圖3 所示。

內環(huán)控制的傳遞函數(shù)

圖2 孤島模式下雙閉環(huán)PI控制線性結構圖

式中：KPWM為橋路PWM 等效增益；Kp1為內環(huán)比例參數(shù)；KI1為內環(huán)積分參數(shù)；Z為交流側負載；T為采樣周期。

總的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

1.3.2 并網運行模式

當儲能雙向變流器并網運行時，電網側電壓穩(wěn)定，能為電路提供電壓和頻率的支持，在并網模式下采用恒流控制，使得并網狀態(tài)下給負載供電的同時又能給儲能裝置充電。斷開孤島運行時的電壓外環(huán)控制部分，采用直接電流控制。

由式（1）經過等效變換可得：

采用PI調節(jié)器對dq軸電流前饋解耦，則變流器的數(shù)學模型轉變?yōu)?/p>

d軸的電流環(huán)控制結構如圖3 所示。

圖3 并網運行下電流內環(huán)PI控制線性結構圖

由圖3 可得Id的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

2 基于麻雀搜索算法的PID控制參數(shù)整定

2.1 優(yōu)化目標函數(shù)的選取

為了保證Ud0的總諧波畸變率（Total humonic distortion，THD）和Ed（s）的值都盡可能的小，此處選取Ud0的THD和時間乘以誤差絕對值積分（ITAE）作為整定目標函數(shù)［12］。將THD 和ITAE 加上不同的權系數(shù)，并進行組合：

式中：a，b均為加權系數(shù)，且a+b=1；Uoz1和Uoz分別為負載輸出電壓基波幅值和各次諧波幅值。

2.2 優(yōu)化設計步驟

在可選范圍內找到一個使目標函數(shù)最小，即電壓、電流誤差和THD最小的控制器參數(shù)，屬于最優(yōu)問題的范疇，本文將麻雀搜索算法引入求解變流器控制參數(shù)。優(yōu)化設計步驟如下：

步驟1根據式（7）確定目標函數(shù)、參考電壓、電流給定值以及SSA 算法中的各項參數(shù)，如種群數(shù)、維數(shù)、迭代次數(shù)等。

步驟2隨機初始化麻雀群個體的速度、位置。建立一個空矩陣，用來存放全局最優(yōu)粒子和個體最優(yōu)粒子。

步驟3進行麻雀位置與速度的更新。

步驟4SSA算法將每個麻雀代表的控制器參數(shù)賦值給控制器，通過調用仿真模型得到目標函數(shù)適應值，返還給算法進行最優(yōu)適應值更新。

步驟5當?shù)螖?shù)達到最大時，則終止程序，輸出需要的KP、KI的最優(yōu)值，否則重復步驟3，繼續(xù)尋找。

具體流程示意如圖4 所示。

圖4 SSA算法優(yōu)化流程

2.3 整定結果分析

SSA算法是近年來提出的一種新的群體智能優(yōu)化算法。由圖5（a）～（d）可知，SSA 算法在對PID 控制參數(shù)KP和KI整定時，具有搜索精度高，收斂速度快以及能夠避免局部最優(yōu)值等優(yōu)點。

經過SSA 算法整定后，孤島模式：變流器電壓外環(huán)PI控制參數(shù)設置KP=122.16、KI=0.29，電流內環(huán)設置KP1=0.83、KI1=16.44 時，能使系統(tǒng)穩(wěn)定并有較好的動態(tài)響應速度；并網充放電模式：電流環(huán)PI 控制參數(shù)設置KP1=2 612.27、KI1=998.1 時，輸出波形最穩(wěn)定，諧波含量少；離/并網切換：變流器電壓外環(huán)PI控制參數(shù)設置KP=56.25、KI=0.07，電流內環(huán)設置KP1=19.55、KI1=232.45 時，使切換更加平滑，電壓更加穩(wěn)定。

圖5 SSA算法整定過程

3 仿真模型

根據上述儲能雙向變流器工作原理和控制策略的分析，可以在Matlab/Simulink 中搭建仿真模型，具體模型如圖6 所示。

整個系統(tǒng)由主電路、控制模塊以及脈沖發(fā)生模塊構成，主電路主要由儲能電池、變流器、LC 濾波器、恒功率負載、交流電網和三相斷路器組成，作用是將儲能電池與交流電網通過變流器連接。PI 控制模塊在不同的模式下仿真模型不同。

設置系統(tǒng)交流電源有效值為220 V，頻率50 Hz，電池額定電壓為700 V，恒功率負載容量為10 kW，濾波電感為5 mH，濾波電容為24 μF。

離/并網切換模式下PI 控制模塊部分如圖7所示。

圖6 系統(tǒng)仿真模型

圖7 離/并網切換模式下PI控制模塊

該模塊主要由電壓外環(huán)和電流內環(huán)構成，將從主電路中采集到的電壓、電流值送入到該模塊，經過電壓外環(huán)、電流內環(huán)得到正弦調制信號。

并網充、放電模式下PI控制模塊如圖8 所示。

圖8 并網充放電模式下PI控制模塊

該模塊由電流環(huán)構成，通過改變并網電流的方向，使變流器在0.1 s之前將部分電能通過降壓整流后向儲能電池充電，在0.1 s 后將電池內的電能進行逆變升壓供給負荷側。

4 仿真結果分析

4.1 孤島運行仿真結果

將2.3 中整定結果代入變流器仿真模型。斷開三相電源，讓儲能變流器工作在孤島模式下。此時，由儲能裝置向負載供電，仿真結果如圖9（a）、（b）所示。

圖9 孤島運行仿真波形

4.2 并網運行仿真結果

接入三相電源，使變流器工作在并網模式下，此時，電網電壓恒定，當微電網發(fā)電量大于負載所需電量時，將剩余部分電能儲存在畜電池中，當發(fā)電量小于負載所需電量時，由儲能裝置向電網供電，可實現(xiàn)電流的雙向傳輸。

讓儲能變流器工作在逆變狀態(tài)，由儲能裝置向電網放電，0.1 s時切換狀態(tài)，轉為整流模式，由電網對蓄電池充電。仿真結果如圖10（a）～（c）及圖11（a）～（c）所示。

圖10 并網運行放電轉充電狀態(tài)下仿真波形

圖11 并網運行充電轉放電狀態(tài)下仿真波形

4.3 離/并網切換仿真結果

在電網的實際運行時，儲能雙向變流器的運行模式需要在并網或者孤島模式下轉換，系統(tǒng)運行于孤島模式，在0.1 s時，三相斷路器閉合，接入電網，將孤島模式中的電壓外環(huán)PI 控制器切除，只留下電流內環(huán)，使儲能雙向變流器工作于并網狀態(tài)，仿真結果如圖12（a）、（b）所示。

圖12 離/并網切換仿真波形

由上述仿真結果圖中可見，將SSA 算法優(yōu)化得到的參數(shù)代入Simulink仿真，系統(tǒng)均能輸出較好的電壓、電流波形且系統(tǒng)較為穩(wěn)定，在充放電模式以及離/并網切換的過程中均表現(xiàn)良好。

5 結 語

為解決儲能雙向變流器控制參數(shù)整定不佳的問題，本文提出了一種基于SSA 算法的儲能雙向變流器控制參數(shù)整定方法。在Matlab/Simulink 中搭建儲能雙向變流器的仿真模型，針對儲能雙向變流器不同的運行模式，采用SSA算法對PI控制器進行參數(shù)整定工作，并將優(yōu)化后的參數(shù)代入儲能雙向變流器仿真模型，實驗結果表明，SSA 算法優(yōu)化參數(shù)方法具有可靠性高和控制性能好等優(yōu)點。