锂电池储能系统充放电的双闭环自抗扰控制器设计

郑天文1，刘锋1，肖先勇2，周业如3，梅生伟1

(1.清华大学电机系 电力系统国家重点实验室，北京 100084；2.四川大学 电气信息学院，四川 成都 610065；3.宣城供电公司，安徽 宣城 242000)

摘 要：针对锂电池储能系统(battery energy storage system，BESS) 具有非线性、时变、强耦合的特征，以及模型误差和不确定外扰对系统控制的影响，基于自抗扰控制(active disturbance rejection control，ADRC) 技术对BESS充放电控制策略与实现进行了研究。首先建立了适用于自抗扰控制的BESS数学模型； 然后提出了BESS自抗扰控制一般设计方法； 最后设计了BESS双闭环自抗扰控制方案，并在 PSCAD/EMTDC 环境中构建了仿真模型，比较分析了采用传统PI控制和自抗扰控制时BESS的动态性能。仿真结果表明，双闭环自抗扰控制下的BESS充放电控制，在充电电压/电流等参考值变化、电网电压波动以及系统参数变化等工况下，相比传统PI控制，均具有更好的动态品质和抗扰动能力。

0引言

风能、太阳能等新能源发电是传统发电形式的重要补充，其在电力能源中所占比例也逐年增加[1]。然而，风电、光伏发电等电源由于自身的间歇性、波动性以及负载的随机性，会严重影响公共联接点(point of common coupling，PCC)的电能质量和系统稳定。

锂电池储能系统(battery energy storage system，BESS)作为可控电源，可实现储能－电网 之间的能量互动，使新能源并网发电接入更趋稳定，有利于保障 ‘源’－‘网’－‘荷’－‘储’ 系统功率实时平衡。BESS 不仅可存储剩余电能，应对电网失电等突发事件，还能配合调度系统，起到削峰填谷 的作用。以BESS为基础的电力控制、调节与分配，可实现能源合理高效地利用[2－4]。

一般地，BESS的控制设计有如下需求：充电时直流侧电压、电流波动小，冲击小；放电时交流侧并网电流正弦度高，谐波含量低。且在充放电过程中，BESS 需具备较强的抗扰动能力。

目前BESS的控制系统大多基于传统PI控制，难以满足上述需求[5－6]。文献[5]提出了基于PI控制器的储能系统直流侧电压控制，虽稳态时直流电压波动较小，但出现了超调现象，有较大冲击；文献[6]提出采用双环PI控制策略实现电池充放电，但并网电流电能质量较差。究其本质，主要是电池储能系统具有非线性、时变、耦合的特征，基于线性化的 PI控制，难以实现良好的控制效果。在现有关于BESS控制研究中，很少有文献考虑电池储能系统的上述特征，尤其是系统等效参数发生变化或外界存在不确定干扰时，控制系统应如何设计，更鲜有提及。理论上，BESS控制属于一类典型的非线性鲁棒控制问题。主要的解决途径有两类，一是将其转化为HJI(hamilton－jacobi－issacs)不等式求解，实现对干扰的抑制[7]；二是采用基于受控能量函数的方法，通过设计控制器使得系统能量函数在不确定性条件下的导数为负来实现控制性能的鲁棒性[8]。然而，这两条途径一般需要受控对象较为准确的动态模型，且较难考虑时变因素的影响。

自抗扰控制(active disturbance rejection control，ADRC)技术是一种针对非线性、时变、耦合和不确定系统的鲁棒控制方法[9]。基于 ADRC技术的控制器具有超调小、收敛速度快、精度高、抗干扰能力强和算法简单等优点。正因如此，ADRC已在电能质量、光伏并网发电以及风力发电系统等领域中得到应用[10－13]。文献[10－11]分别将自抗扰控制引入动态电压恢复器和静止无功发生器，解决了动态响应速度慢和稳态误差大的问题，提高了系统电能质量；文献[12]针对光伏并网逆变控制系统的特点，将自抗扰控制器应用到光伏三相并网发电中，提高了并网点电流波形质量，减小了对电网的冲击；文献[13]研究了大型风电机组转速自抗扰控制技术，实现了风速变化时的最大功率点快速跟踪，提高了风能的捕获效率。

本文在现有研究基础上，综合考虑BESS具有数学模型难以精确获得且在实际应用中存在不确定干扰等固有属性，基于自抗扰控制技术，提出了一种不依赖于BESS系统精确数学模型，且能提高BESS控制性能的综合控制策略。

论文首先介绍了ADRC基本思想和设计原则，然后建立BESS数学模型，并针对其模型特点进行自抗扰控制器设计，提出了BESS的综合控制策略；最后在不同扰动场景下，比较了传统PI控制和自抗扰控制的性能，验证了所提方案的正确性和有效性。

1 ADRC基本原理

ADRC汲取了经典PID控制和现代控制理论的优点，并对PID控制进行了改进。ADRC是一种基于量测的建模，其核心思想是将系统模型的不确定性(内部扰动)和其他不确定性(外部扰动)一起作为 总扰动 ，通过构造扩张状态观测器 对总扰动 进行估计并实时补偿[9，14－16]。

4)参数选定规则

ADRC参数调整方法一般分为2步：一是把TD、ESO和NLSEF看成独立的3个部分，分步整定；二是结合NLSEF对ADRC进行整体参数协调整定。依照上述原则整定参数后的ADRC，可保证具有较强的鲁棒性[9，15]。

2 BESS建模及ADRC控制器设计

2.1 BESS数学建模

BESS主要包括锂电池(battery)和并网变换器(power conversion system，PCS)两部分：其中，前者提供能量，后者传递能量。图2为电池储能系统结构示意图。

从BESS的数学模型可以看出，在dq0坐标系下采用电流直接控制的BESS是一个典型的开关非线性、时变、强耦合系统，且系统等效电感参数L难以精确测量，如此则给BESS控制系统的设计带来了挑战。

2.2 BESS的ADRC控制器一般设计方法

为提高BESS控制性能，结合其数学模型，设计ADRC控制器如下：

1)模型规范化

为便于设计，首先将式(7)表示的BESS数学模型按照式(1)进行规范化处理为

3 BESS充放电的双闭环ADRC控制方案

BESS的核心功能是实现能量双向传递，本质是整流充电和逆变放电。为实现电池储能系统恒压、恒流充电和指定功率放电的功能，且提高其在电网电压波动、参考值突变以及系统参数改变等情况下的抗扰动能力，在同步旋转坐标系下，设计了BESS双闭环自抗扰控制策略，控制框图如图3所示。

4仿真分析

为验证本文所提方法的正确性和可行性，采用PSCAD/EMTDC软件搭建BESS仿真平台，并对比分析采用ADRC和传统PI控制的控制性能。表1给出了BESS仿真分析相关参数。

4.1 BESS充电

电池储能系统的充电过程主要考虑恒压充电和恒流充电两种运行模式。

4.1.1恒压充电

工况1：设定充电电压为550V；在0.1s时刻，假设电网电压下降至0.9pu，持续时间20ms。此时，采用恒压充电策略的直流侧电压波形如图6所示。

图10为给定充电电流突增时的直流电流波形。在给定值突变时刻，ADRC能迅速感知并软启动至新设的参考值(约10ms)；而PI控制未能承受参考值突变的扰动，控制量先下调后再缓慢 升至参考值(约50ms)。

从图6～图10的分析可知，充电情况下，ADRC相对传统PI控制，对于直流侧电压/电流的控制性能更为优越，主要体现在：

1)响应速度快，超调量小；

2)稳态时，电压或电流的波动小；

3)抵抗外界扰动的能力强。

4.2 BESS放电

BESS放电主要体现其与电网的功率交互，故采用指定功率的放电模式。

仿真工况：在0～0.1s，设定有功放电功率为15kW；在0.1～0.2s，有功放电功率设为35kW。无功功率均设为0。规定电流从BESS流向电网为正方向。为方便对比，特将图11中PI控制获得的功率曲线向上平移3个单位，如图11所示。

分析图12、图13可知，放电情况下：PI控制时，交流侧电流存在较多纹波和畸变(尤其在给定值变化时刻附近)；而自抗扰控制得到的交流电流波形更加平滑，谐波含量更少。

5结论

鉴于自抗扰控制技术具有良好的控制性能，本文在建立电池储能系统数学模型的基础上，设计了其双闭环自抗扰充放电控制策略。PSCAD/EMTDC仿真结果表明，与传统PI控制相比，采用本文控制方案主要具有如下优势：

1)自抗扰控制技术很好地解决了锂电池储能系统在非线性、时变、耦合特性以及不确定干扰下的控制设计问题，所设计的双闭环自抗扰控制器具有优良的动态响应性能。

2)当受到外界扰动时(如电网电压波动、参数设定值突变、系统参数改变等)，电池储能系统在双闭环自抗扰控制下仍能保持良好的控制性能，具有较好的鲁棒性。

值得说明的是，本文提出的BESS自抗扰控制策略主要适用于电压对称情况。对于三相电压不平衡及故障条件下的BESS控制研究，将是今后的工作重点。

参 考 文 献：

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