用于微电网的储能变流器控制策略综述
发布时间：2021-11-20
摘要：微电网的储能变流器采取灵活的控制策略，将各种能源转化后供给有需求的负荷，使微电网既能作为一个可控整体单元进行并网运行，又能独立运行，其控制策略对于微电网安全稳定运行尤为重要，因此，受到业内的广泛关注和研究，并取得大量研究成果。在前人研究的基础上，对储能变流器各工作模式下的控制策略进行分析和归类，并对各控制策略优缺点进行总结，同时列出目前微电网系统及储能变流器应用中有待研究解决的问题，为应用于微电网的储能变流器控制策略的应用和深入研究提供参考。
关键词：微电网;储能变流器;控制策略
用 于 微 电 网 的 储 能 变 流 器(power conver⁃ sion system，PCS)是微电网内能量流和信息流交汇的枢纽，与常规 PCS 不同，它具备提供无功、谐波补偿的能力，在并网、离网和并/离网切换工况下均能向负载提供良好的电能质量。为保证微电网拥有良好的电能质量、实现经济效益，需采取切实可行的控制策略，目前对控制策略的研究越来越受到行业重视。本文在对现有应用于微电网的 PCS 科研成果进行深入分析的基础上，归纳并总结各种控制策略的特点和适用场景。
1 用于微电网的PCS控制策略分类
根据实际应用场合及功能需求，不同的储能系统采用的 PCS结构不尽相同，若根据输出电平数量，一般可分为两电平、三电平和多电平等结构;若根据变换环节数量，可分为单级式、双级式等结构。在低压应用场合，PCS 常用的是单级式两电平结构，由于拓扑结构的限制，其直流侧储能介质电压变化范围较窄，该结构适用于一些端电压随SOC状态变化比较小的储能介质，如锂离子电池等;若储能介质为超级电容等，端电压随 SOC 状态变化较大，则需采用在单级式 PCS 直流侧加一级 DC/DC 变换器构成的双级式 PCS，该结构可拓宽直流侧储能介质的电压变化范围，适用于多种储能介质，应用于各功率场合。本文的分析及归类正是基于双极式两电平 PCS开展的，其拓扑如图1所示。
为保证在任何工况下 PCS 都能向负载提供合格的电能质量，每种工作模式下需采取相应控制策略。用于微电网的 PCS包含并网、离网和并/离网切换 3 种工作模式，其控制策略分类如图 2所示。
图 2 中，并网、离网工作模式均包含 PCS 直流侧和交流侧控制。并网工作模式下的直流侧控制又可分为充放电控制和充放电切换控制，充放电控制可分为电流控制、电压控制两种控制策略;离网工作模式下的直流侧控制与并网相同，因此不再赘述。并网工作模式下的交流侧可分为电压控制、PQ 控制、下垂控制和虚拟同步机控制(virtual synchronous generator，VSG)控制 4 种，电压控制又可分为交流侧整流控制和交流侧逆变控制两种。但由于 VSG 控制离网工作模式下较为常用且与并网时工作原理相同，本文把 VSG 策略放入离网模式下分析总结。离网工作模式下的交流侧可分为电压控制、Vf 控制、下垂控制和 VSG 控制 4种控制策略，此模式下的电压控制和下垂控制与并网时一样，因此不再赘述。并/离网切换模式可分为并网转离网检测控制和离网转并网预同步控制。
2 PCS并网控制策略
2.1 直流侧充放电控制策略
储能系统需要根据外界需求灵活地在充电和放电模式之间切换[1] ，PCS 直流侧 DC/DC 变换器则要稳定母线高压侧电压，因此需对DC/DC变换器进行控制。
2.1.1 电流控制
电流控制通过检测直流母线电压生成电流环参考值且与电池侧电感电流比较后，直接作用于DC /DC变换器，控制策略如图3所示。
电流控制精度高、动态响应快，但也会产生周期性的电流误差[2] ，该控制策略适用于动态性能指标高的场合。
文献[2]为缓解微电网间歇和波动性对储能系统带来的负面影响，采用小信号分析方法推导系统稳定条件，采用互补型脉宽调制方式控制，并提出多滞环调节的控制方法，有效改善了储能单元的充放电过程，提高了储能的技术经济性。但该控制策略忽略了瞬时充电电流和储能单元 SOC 对控制的影响。文献[3]考虑储能单元 SOC 状态和外部电压状态等约束条件，以DC/DC侧电感电流为内环，外部恒压、涓流控制方式为电流环生成参考电流，保证储能单元不会因过充过放造成不可恢复伤害，但实验运行功率只有 5 kW，若将该策略应用于实际，应提高功率继续试验。文献[4]基于电池电流调节原理，在 PV 分布式电源给储能单元充电算法中增加最大功率点跟踪技术，提高储能单元寿命且降低对电池电流测量精度的依赖性，能更好地利用光伏能量且更快达到100%电池充电状态。
2.1.2 电压控制
电压控制是双向 DC/DC 变流器根据 PCS 的输入/输出功率，对电池组进行充电/放电，维持 DC/DC和 DC/AC间直流电压的恒定，电压控制策略如图4所示。
文献[5]针对储能单元研究提出一种多 DC/ DC和DC/AC模块构成的PCS，提出恒流控制和稳压控制，实现多簇储能单元同时充放电，并能保证恒流控制下充电电流很好地跟踪放电电流，恒压控制下中间直流电压很好地稳定在系统要求值，但该策略在两种控制下均不能做到单位功率因数运行。文献[6-7]提出一种基于直流母线电压稳定的储能系统充放电控制策略，该策略通过控制稳定的充放电电流，保证直流母线电压稳定在允许波动的合理范围内;又利用储能单元 SOC 状态判断实现储能单元内部功率平衡。对以上储能单元充放电控制策略进行总结对比，将其各自特点列于表1中。
2.2 直流侧充放电控制策略
储能单元通过 PCS 与电网和负荷进行能量交换，其充放电控制直接影响微电网的供电质量，这便要求储能系统能够稳定快速进行充放电响应，因此其充放电切换控制是研究热点之一。
文献[8]考虑分布式电源间歇性特点，并以供需功率平衡为基础提出一种二次修正储能单元充放电切换控制策略，即先以小波包对分布式电源输出量的分解分量作为储能单元充放电指令，并以功率平衡作为充放电指令的一次修正;其次以储能单元模糊控制输出量作为充放电指令的二次修正。该控制策略采用模糊控制对储能系统SOC进行自适应控制，实现充放电指令的自切换，发挥储能系统的容量效益，减小容量配置成本，并且能很好地满足 GB/T 34120中对 PCS充放电切换的要求。文献[9]以超级电容为储能单元，分析其构成和工作原理，以超级电容SOC作为判定依据，设计充放电切换算法，保证系统自动跟踪 PCS输出侧能量状态，实时实现充放电自切换控制。但该控制策略仅考虑储能单元的安全高效使用，未考虑输出功率是否平衡且必须有储能单元之间可靠的信息实时共享作为保障。文献[10] 为稳定微电网内功率平衡、抑制直流母线电压波动，将直流母线电压分成5个区域，系统依据直流母线电压所处区域判断储能系统工作模式及模式切换。该控制策略能实现储能系统充电、放电和充放电切换模式的自由切换，同时抑制直流母线电压波动，保证储能单元长期安全、高效运行。
但系统功率严重不平衡时，只是建议微电网适当切除负荷，并未对此做深一步研究。
2.3 交流侧控制
2.3.1 整流控制
储能电池充电时，PCS需工作在整流模式，使直、交流侧之间得到稳定的母线电压。储能电池充电时，DC/AC侧控制策略分类如图5所示。
滑模控制[11] 是电压外环采用滑模控制或双环均采用滑模控制的一种控制策略，以 PCS输出直流电压误差为状态变量构造指数衰减率切换面，通过对电流内环控制器进行设计，实现各变量的解耦控制。该控制策略具有良好的参数变化自适应性，改善PI控制的滞后性及对系统参数的敏感性，但各控制环设计较为复杂。
模型预测控制[12] 是在每个周期对所有开关状态下的电流、电压、频率或功率进行预测评估，并将矢量平面分为多个扇区，判断参考值所在区域，使得控制器输出量为参考值所在区域最优的电压矢量。模型预测方法无需迭代计算寻优且耗时少，但算法运算量大，对控制器性能要求较高。
本文来源于：《电气传动》(月刊)创刊于1959年，由天津电气传动设计研究所和中国自动化学会共同主办，是一本电气传动自动化领域的专业期刊。以报道国内外电气传动自动化领域先进技术，产品动态，发表科研成果和总结实践经验的文章，促进科技交流，沟通行业、产品信息，培养人才为办刊宗旨。设有综述与专论，交流传动，直流传动，计算机应用，微机及PLC应用，自动控制理论，自动控制系统，控制技术，设计计算，讲座，国外信息，工业应用，企业之窗，其他(包括与电气传动和自动化密切相关的低压配电，交流技术，总线控制技术，计算机方针技术，功率补偿技术，新型电力电子器件应用技术，检测技术等)等栏目。
直接功率控制有基于电压定向、虚拟磁链和输出调节子空间三种控制策略。基于电压定向策略的交流侧电感选取难度较大且对传感器和采样频率依赖程度较高;基于虚拟磁链策略的物理量计算受参数变化影响较大，增大计算误差;基于输出调节子空间策略将输入空间划分为多个区域，通过开关矢量选择调节系统状态，改善了基于电压定向、虚拟磁链控制策略不足，具有更好的动态性能。
除了以上几种控制策略之外，还有直接、间接、滞环电流控制策略、模糊PI控制策略、前馈控制策略等。限于篇幅，论文不再对这些控制策略进行详细阐述。
2.3.2 PQ控制 PQ 控制
本质就是控制储能介质的有功功率和无功功率。一般在主从控制时，从控的 PCS采取 PQ 控制，此时储能介质相当于受控电流源[13] ， PQ控制原理图如图6所示。
PQ控制对应用场合有一定要求，即多适用于直流母线端输出功率随机性较大的电源，该控制下电源的输出功率及微电网内部的负荷波动、电压频率偏移等由电网进行调整[14] ，从而使 PCS 按照给定的有功、无功指令值输出;PQ 控制不能支撑微电网的电压和频率，如果系统提供的电压幅值和相位参考不稳定，则 PQ 不能很好地应用于该系统。在微电网内，采取 PQ 控制的 PCS 作为从控制器运行时，必须跟随主控制器运行，所以各微源之间要实现信号实时共享且保证通信有较高的可靠度;作为主控制器时可能会存在功率额定限制，所以要对微电网的孤岛运行情况和负载消耗有一定的预估。
文献[15-16]提出了一种前馈解耦的 PQ 控制策略。利用坐标变换，进行交直流量的变换，以 d 轴电压进行定向，方便地通过 id，iq实现对网侧 P 和 Q 的解耦控制。引入前馈解耦的 d，q 轴独立控制，采用电流 PI 调节器。前馈解耦控制如图 7 所示。
基于前馈解耦的 PQ控制策略可以展现同步坐标系的优点，有功电流和无功电流实现了解耦和独立控制。PI调节器具有动态、静态响应较好和频率稳定等优点，实现无差调节。
文献[17]基于下垂电压控制，设计低增益状态反馈器对微电网的有功、无功功率进行控制，通过产生正弦基准电压，由电压环跟踪，该电压环为电流环生成电流基准，并且该控制策略引入前馈状态，保证电能以良好质量入网。但该策略涉及到线性矩阵不等式问题，电压环、电流环设计比较复杂。
2.3.3 下垂控制
下垂控制是模拟与同步发电机相似的下垂特性曲线作为 PCS 的控制方式。各分布式电源分别检测自身的输出功率，通过下垂特性获得各自的频率和电压指令值，然后各自反向微调其输出电压的相位和幅值，最终达到系统有功平衡和无功合理分布的目标[13] 。P—f/Q—U 下垂控制结构如图8所示。
下垂控制的优点：无需实现多台 PCS间的信息通讯，便能保证微电网中频率电压的统一，简单可靠且成本低。下垂控制的缺点：基于虚拟阻抗的下垂控制加入虚拟阻抗使得输出电压存在偏差，影响输出电压控制精度;另外，输出电压指令可能会含有输出电流的谐波成分，影响 PCS输出的电能质量。
传统下垂控制策略往往根据线路阻抗特性忽略线路电抗的影响，采用频率—无功，电压—有功的控制调节策略，而微电网本身电压等级较低，线路成阻性或阻感性[18] ;另外微电网容量相对较低，下垂控制中电抗的影响不容忽略。文献 [19]基于下垂控制提出输出电流分解的虚拟阻抗回路方法，并分别合成正序和负序虚拟阻抗，保证在三相负载平衡下，利用较大的负序虚拟阻抗使并联变流器负序环流电流最小;在三相负载不平衡下，设计动态调节负序电阻回路，使 PCS 输出电压的质量和负载分担性能达到良好的平衡。文献[20-22]在 PCS并联时，为保证线路阻抗不同情况下实现功率均分和环流抑制，基于下垂控制改进功率计算公式和无功补偿环节，实现功率均分和环流抑制，降低功率损耗并提高微电网系统的动态性能，但论文并未对负载突变时的功率分配不均问题做进一步研究。文献[23]通过引入虚拟阻抗，解决线路阻抗不同的影响，提高负载突变时功率动态调节能力，实现系统功率精确分配。文献[24-25]为解决传统下垂控制具有的调节速度慢、功率分配不均问题，提出了基于下垂控制的分段自适应方法，可以通过分段自适应控制调节下垂系数，使系统获得良好的动态响应速度、功率分配效果，提高系统电能质量。
对以上几种并网下交流侧控制策略进行总结对比，将其各自特点列于表2中。
3 PCS离网交流侧控制策略
3.1 Vf控制
Vf控制是 PCS以输出电压、频率指令值进行控制，能起到支撑微电网内的电压和频率的作用，常作为主控制器运行，此时，有功、无功功率由负载决定。Vf控制常采用电压外环、电流内环的双闭环控制策略，其控制策略如图9所示。
Vf 控制的优点：电压外环保证输出电压的稳定，电流内环构成随动系统，实现对参考值跟踪，同时兼顾系统稳定性，增大系统相位裕度[26] ，对非线性负载扰动的适应能力加强，输出电压的谐波含量减小。双环控制充分利用系统的状态信息，动态性能好，稳态精度高。Vf 控制的缺点：多机并联运行困难，不易实现准确均流[27] 。
文献[28-29]在电压外环处添加模糊 PI 控制器、自适应PI控制器，并进行了电流的前馈解耦，既可以稳定并/离网切换时由于电压突变导致的系统不稳定，又可以稳定负载端电压，提供参考信号作为电流内环的输入。但是，模糊论域涉及复杂输入量转化和解模糊，计算过程较为复杂。并且在离网时，可能会由于分布式电源的不稳定引起电压电流的小幅变化导致并/离网切换时间延长几秒钟。
3.2 虚拟同步机控制
同步发电机通过控制输入机械功率(Pm)稳定输出功率和频率，通过改变励磁电流产生的电磁功率(Pe )来控制输出电压[30] 。因此，在虚拟同步发电机控制(virtual synchronous generator，VSG)中必须加入电压、频率和功率的闭环控制使其更真实地模拟同步发电机。VSG 控制策略如图 10 所示。基于 VSG 的微电网 PCS 拥有与传统同步发电机一样的稳定性，改善系统的惯性，有利于分布式电源入微网。该策略以稳定输出功率为主，当负荷变化时，PCS 仍能均分功率，既有利于微电网稳定，又保证平滑并网运行。
VSG 控制策略中存在固定系统参数不能保证系统的快速响应和稳定性、dω/dt变化快慢影响系统动态性能问题。文献[31-35]针对此问题，依据旋转惯量与阻尼系数对系统的影响，提出了在不同阶段系统根据运行特性动态调节旋转惯量和阻尼系数，能够有效减小系统的超调量、维持系统频率稳定。但该策略主要应用于离网运行模式，并网运行模式有待查验，并且自适应旋转惯量VSG参数整定比较复杂。文献[36]分析控制参数对系统稳定性的响应，利用VSG转子和无功调节的特性设计频率调节器，提高了 PCS 的动态、稳态性能且能稳定并网，但该方法仅分析 VSG并网运行时的运行特性，且只进行了仿真分析，后续应对离网下各种工况分析并进行实验研究。文献[37]针对 VSG 虚拟惯性存在时，功率调度指令突变会造成 PCS 输出的频率、功率发生振荡问题，采用矩阵二次型最优控制，控制 PCS的功率和频率，优化虚拟惯量，缓解其功率、频率振荡，防止因过流而停止工作。
对以上几种离网下交流侧控制策略进行总结对比，将其各自特点列于表3中。
4 并/离网切换控制策略
PCS 在并/离网切换时，若不加控制，会出现电压波动和冲击电流等问题。为保证系统内电能质量的稳定和转换过程中不间断供电，不影响用电负荷的稳定运行，并/离网工况应平滑切换，这也是微电网比传统供电系统的优势所在。由于并/离网切换时控制目标不同，其控制策略又分为并网切换至离网控制和离网切换至并网控制。
4.1 并网切换至离网检测控制
PCS 在并网时表现为电流源特性，离网时表现为电压源特性，并网转离网控制实质上是 PCS 的电流型控制转至电压型控制。为实现并/离网模式的切换，并网开关一般为静态开关，通常选择双向晶闸管反并联的开关电路作为静态开关，由于这种晶闸管会在电网故障半个基波周期内脱网，因而学者提出电流过零点检测、间接电流控制和电压型控制等并网切换离网方法。
4.1.1 基于电流过零点检测控制
电流过零点检测是当电网发生故障时，PCS 并网点处电压发生跌落，电网电压值低于预设最小值时，检测电路会关闭并/离网开关。因此PCS 在电流第一个过零点断开电网，瞬间 PCS从电流型控制转为电压型控制。文献[38-39]对切换算法进行了详细介绍，具体的切换流程为：检测到电网故障并向并/离网开关发出关闭信号;检测负载电压和相位;当电网电流过零时，PCS转为电压型控制，其基准电压来自负载电压;最后调整负载电压参考值至额定值。
电流过零点检测控制结构简单，应用广泛，但无法对非计划性孤岛情况作出较好的应对。
4.1.2 间接电流控制间接电流控制
实质上是通过控制电感电压实现调节并网电流的目的。间接电流控制等效电路如图 11所示，并网功率因数为1的矢量控制如图12所示。
图11和图12中，U，Ug分别为PCS输出电压、电网电压;UL为电感电压。由图 11可见，可以通过控制 θ 实现电感电压的调节，且在功率因数损失较小的情况下，将U和θ进行解耦，实现并网有功、无功功率的控制。
文献[40]为避免并/离网切换时电流输出可能不稳定，提出适合并/离网切换的间接电流控制策略，其控制策略如图13所示。该控制外环为并网间接电流环，内环为 PCS输出电压环。并网时采用注入电流均方根值控制作为外部控制回路，离网时采用输出电压和输出电容电流的瞬时控制。当电网故障时，由间接电流控制计算的U* 将被进行限值，以保证临界状态负载的安全运行。
并/离网工况下的间接电流控制最终目标均是 PCS输出电压，因而可在并网切换至离网时有效降低暂态电压电流冲击，实现平滑切换。
4.1.3 电压型控制
1)下垂控制。基于下垂控制策略的 PCS 接收到离网信号或被动离网时，先断开并/离网开关 QS1，QS2，使PCS断开与电网连接，切换的瞬间U/f 保持不变，且由负载决定PCS的输出功率，PCS再根据有功、无功功率及下垂特性对 PCS输出电压的幅值、频率进行调整，使其支撑微电网内部的电压、频率，最后系统会在几个基波周期内进入新的稳态。下垂控制常适用于多台 PCS 协调控制，但由于其为有差控制，无法将微电网的电压恢复至并网的水平。离网模式下垂控制框图如图14所示。
2)VSG 控制。VSG 控制是系统有功功率决定功角特性，无功功率决定输出电压特性，功角和电压通过同步发电机模型生成调制波，无需传统的锁相环技术。
文献[41]阐述基于VSG控制的PCS并/离网切换控制策略，通过有功、无功功率控制功角特性和输出电压特性，VSG 控制下 PCS 调压、增加系统惯量的能力与同步发电机媲美。正因为具备同步发电机所具有的运行功能，故该控制策略能自动完成并网模式向离网模式的平滑切换[42] 。其控制框图如图15所示。——论文作者：陈亚爱，林演康，周京华
