综上所述,可得基于下垂控制的PSU能量协调控制结构图如图4所示,主要包括能量协调控制和准谐振PR电流控制两部分。其中us为混合微电网各相的相电压,PLL为单相锁相环,相电压经过PLL后可得到相电压的相角θ和幅值US。通过能量协调控制可以获得电流内环的指令电流i*s,再利用准谐振PR电流控制对指令电流进行跟踪控制。
图4基于下垂控制的PSU能量协调控制结构图
将指令电流i*s与实际测得的电流is相减得到电流误差信号,再将电流误差信号送入准谐振PR控制器进行控制。准谐振PR控制器在很多文献[20-21]都有应用,它在保持高增益的同时,又可减少频率偏移对控制效果造成的影响,其传递函数为
式中：kpr和kr分别为准谐振PR控制器的比例系数和谐振增益;ωc为截止频率,当s=jω0时,谐振增益达到最大值,通过合理设置kpr和kr可以使得控制系统在基频处增益很大,从而可以最大限度的消除稳态误差。
3、ESU的能量协调控制方法
在PSU工作时,易导致直流侧母线电压波动,尤其是在各单相微电网都出力不足或过剩时,直流侧母线电压会有很大的偏离,进而影响PSU的控制效果,为此,本文利用ESU来稳定PSU直流侧的母线电压,为PSU的稳定工作提供保障,在PSU直流侧母线电压升高时,ESU工作于充电状态,吸收多余的能量,使得直流侧母线电压回落;在PSU直流侧母线电压下降时,ESU工作于放电状态,弥补不足的能量,使得直流侧母线电压回升。
此外,考虑到不同储能电池在同一时刻的SOC并不一样,如果都采用同样的充放电电流,易导致部分电池过度充电或者过度放电,这样不仅浪费电池容量,还会严重影响电池寿命,因此,必须采用合适的控制策略协调各ESU的控制。为此,本文提出利用储能电池的SOC和直流侧母线电压偏差uerror来协调ESU的控制,利用两者调节电流限幅器的限幅幅值,从而实现对不同SOC的储能电池的充放电速度的协调控制。具体控制结构图如图5所示,采用电压电流双闭环控制,外环是电压控制环,采用PI控制,用以改善系统输出电压的波形,使其具有较高的输出精度;内环是电感电流调节环,采用比例P控制,可以提高控制系统的动态性能。
图5 ESU的能量协调控制结构图
图5中Imax为电流限幅器的限幅幅值,具体计算公式如下：
式中：IN为储能电池所能承受的额定充放电电流;τ为幂系数。式(10)中SOC的具体计算方法如式(11)所示：
式中：SOCt=0为储能电池初始剩余容量;ibat为储能电池充放电电流;SN为储能电池的额定容量。
4、仿真和实验
4.1 仿真验证
基于Matlab/Simulink搭建了系统仿真模型对本文所提单相-三相混合微电网结构及其能量协调控制方法进行验证。利用三台单相H桥逆变器组成PSU,利用两台双向直流变换器连接两组储能电池Bat1和Bat2构成ESU,单相微电网中,A相由两组电源和两组负荷组成,B相由一组电源和一组负荷组成,C相由两组电源和一组负荷组成。电源都是通过逆变器连接到微电网中。两台双向直流变换器额定容量均为6kW,H桥逆变器额定容量均为4kW,各相逆变器的额定容量为3kW,载波频率均为10kHz,直流母线电压为400V,仿真模型其他仿真参数取值如表1所示。
表1系统仿真参数
