微网超级电容器储能系统的滑模控制策略研究

吴 俊， 丁玉成， 丁冠西

(1.辽宁工程技术大学 电气与控制工程学院，辽宁 葫芦岛125105；2.国网辽宁省电力有限公司 辽阳供电公司，辽宁 辽阳 111000)



微网超级电容器储能系统的滑模控制策略研究

吴 俊1， 丁玉成1， 丁冠西2

(1.辽宁工程技术大学 电气与控制工程学院，辽宁 葫芦岛125105；2.国网辽宁省电力有限公司 辽阳供电公司，辽宁 辽阳 111000)

为改善微网运行不稳定的问题，针对与微网连接的超级电容器组储能装置的控制策略进行研究。储能装置由超级电容器组通过双向DC/DC变换器连接DC/AC变换器，通过滤波、升压后连入电网。通过对双向DC/DC转换器滑模控制的研究，使得任意操作条件均能正常工作，同时对运行中的稳定性进行了分析。最后，在Matlab中Simulink搭建储能系统仿真模型，验证了本文控制策略的可行性。

微网； 超级电容器； 储能； 滑模控制

0 引 言

随着分布式电源的大量接入电网，使得传统电力系统的运行方式发生改变。微网是分布式电源接入电网的较好解决方案[1]。微电网内部电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必须的控制。微电网相对于外部电网表现为单一的受控单元，可同时满足用户对电能质量和供电安全的要求[2]。微网相对于大电网存在着并网运行，解列独立运行，重新并网等多种运行状态。对于微网的稳定运行，储能系统起到了很大的作用，作为实现刚性电力系统柔性化调节的关键技术和实现随机非平滑输出特性的新能源柔性接入电力系统的关键设备，以及作为未来智能电网的重要组成部分，其在电力系统中的作用越来越重要。储能系统可以平抑微网的功率波动，微网孤网运行时保持微网的频率稳定；在微网内部电压波动时，储能系统可以提供无功补偿，提高电能质量。

由于微电网规模较小，系统惯性不大，网络以及负荷经常发生波动就显得十分严重，对于整个微电网的稳定运行造成影响。超级电容器储能系统可以在负荷低落时存储电源的多余电能，而在负荷高峰时回馈给微电网以调整功率需求。

针对系统故障引发的瞬时停电，电压骤降、骤升等问题，本文利用超级电容器提供快速功率缓冲，吸收或补充电能，提供有功功率支撑进行有功或无功补偿，以稳定、平滑电网电压波动[3]。

1 超级电容器储能系统基本结构

如图1所示，超级电容储能装置主要包括超级电容器组、双向DC/DC 变换器、DC/AC逆变器以及控制单元。整个装置并联在微网中的电源与负荷之间的母线上。超级电容器组通过buck-boost双向DC/DC电路升压连接一个三相DC/AC逆变器[4]，经过滤波后变压升压至电网。

超级电容储能系统的基本原理[5]是：正常工作时，超级电容器组将整流器提供的直流能量以电场能的形式储存起来，当微网中出现故障或负荷功率波动较大时，再通过逆变器将存储的能量释放出来，准确快速地补偿系统所需要的有功和无功[6]，从而使电能得到平衡与稳定的控制。

图1 超级电容器组储能系统结构

如果逆变出来的电压高于系统电压，逆变器就向系统提供功率；反之，则吸收功率。由于在充放电过程中超级电容器组两端的电压变化范围很大，并且超级电容器具有功率双向限流动的储能和释能的特点，因此，必须通过功率变换器将超级电容器组接入直流高压侧，以提供恒定的直流母线电压。图2所示为双向DC/DC变换器拓扑结构，储能侧电压高于直流侧电压UDC，在降压模式时向储能装置提供功率，在升压模式时向储能装置吸收功率[7]。

2 储能系统的滑模控制策略

由图2可知，系统依赖于开关导通状态来实现对双向DC/DC变换器升压模式与降压模式的控制从而实现能量流动方向的改变。这两种模式可以由统一模型来表达

(1)

式中Sω=1为开关闭合状态，Sω=0为打开。当Sω<50 %时，说明双向DC/DC变换器工作模式为降压，反之为升压。

超级电容器组储能装置控制须考虑3种条件[8，9]：

1)启动状态：超级电容器从0A充电至恒定电流过程；此时双向DC/DC变换器工作在降压模式，滑动面选取为S(IL)=ISCmax-IL=0,加入开关状态为Sω=(sign(ISCmax-IL)+1)/2，得到等效控制结果为

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(2)

式(2)在滑模域内满足0≤Sωeq≤1，0≤UES≤UDC成立。

(3)

(4)

(5)

在滑模域内应满足

(6)

成立。将等效控制结果代入式(1)中，有

(7)

4) 综合控制策略：选取的开关切换率为Sω=(sign(Iref,i-IL)+1)/2当启动状态时，有

Iref1=ISCmax

(8)

当恒功率状态时，有

(9)

当电压下限模式时，有

(10)

当电压上限模式时，有

(11)

3 仿真结果

仿真数据设为直流母线电压UDC为700V，电感LES为4.3mH，直流侧电容CDC为2mF，超级电容器组电容CES为1.7F，串联电阻为120mΩ，最大电压绝对值570V，最小运行电压200V，最大输出电流19A。

启动状态：超级电容器预充电达到恒定电流，直到达到最低工作电压。将超级电容器预充电电流设定为10A。图3(a)所示为启动时，电流升至10A,图3(b)所示为超级电容器组电压升至200V。图4(a) 所示为双向DC/DC正常工作时，超级电容器平均功率，图4(b)所示为电感电流波形。图5所示为将超级电容器电压维持在400V，电感电流情况。

图3 启动过程波形

图4 恒功率过程波形

图5 电压限制时波形

从仿真分析图中可知，针对双向DC/DC变换器的滑模控制，可以实现任意条件下满足微网正常工作。因此，滑模控制双向DC/DC变换器调控超级电容器储能系统可行。

4 结 论

针对微网超级电容器储能系统控制策略的问题，通过对超级电容器储能装置结构和控制策略两方面进行研究，提出了将滑模控制双向DC/DC变换器控制策略应用到微网超级电容器储能系统中，能够在满足在任意操作条件下正常工作。通过仿真实验验证了方案的可行性与正确性，具有良好的实用价值和应用前景。

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Research on sliding mode control strategy for micro network super capacitor energy storage system

WU Jun1, DING Yu-cheng1, DING Guan-xi2

(1.Faculty of Electrical and Control Engineering,Liaoning Technical University,Huludao 125105，China;2.State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd,Liaoyang Power Supply Company,Liaoyang 111000，China)

To avoid the instability of micro-grid operation,research on control strategy for super capacitor bank energy storage device connected to the micro-grid is carried out.Energy storage device connects DC/AC converter by super capacitor bank throughing bidirectional DC/DC converter,through filtering, even after boosting connect into grid.By studying on control of bidirectional DC/DC converter sliding mode,it makes it possible to work under any operating conditions,and to analyze on running stability.Bye Matlab,Simulink simulation model for energy storage system is built to verify the feasibility of the control strategy.

micro-network; super capacitors; energy storage; sliding mode control

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0026—03

2016—06—30

TM 71

A

1000—9787(2017)07—0026—03

吴 俊(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为电接触理论及其应用。