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       摘要 针对传统储能变流器控制方法存在的同步速度较慢、有功功率跟踪效果欠佳的问题，提出了一种基于虚拟振荡器控制的储能变流器控制策略。该策略基于虚拟振荡器控制，采用优化惯性权重和学习因子的改进粒子群算法整定控制器参数，避免了有功和无功功率的测量，具有比传统下垂控制更好的动态响应。最后，针对储能系统中2台并联储能变流器在负荷突变情况下进行了相应控制，仿真结果表明，所提新型控制方法具有更快的同步速度和更好的有功功率跟踪性能。

  1 系统描述

  图1为储能系统中储能变流器并联结构图，该系统包含2台PCS，它们相互连接并在孤岛模式中运行。图1中：Vdc为直流电源电压；C为直流侧电容，负责平滑直流总线电压；Lf、Cf和Rf分别为滤波器电感、电容和电阻；ron为IGBT导通电阻；Vta、Vtb和Vtc为变流器的端子三相电压；Vsa、Vsb和Vsc为滤波之后的三相电压；Ifa、Ifb、Ifc为电容三相电流；ILa、ILb、ILc为负载三相电流。

图1 储能变流器并联结构

Fig.1 Parallel structure of power conversion system

  2 基于粒子群算法的虚拟振荡器控制

  2.1 传统虚拟振荡器控制

  VOC受到非线性耦合振荡器同步的影响，其结构如图2所示，由2个子系统组成，即RLC电路和电压相关电流源（voltage dependent current source，VDCS）。图3描述了死区函数和VDCS的特性。

图2 VOC结构

Fig.2 VOC structure

图3 死区函数和VDCS的特性

Fig.3 Dead zone function and VDCS characteristic

  2.2 改进的粒子群算法

  2.3 改进的虚拟振荡器控制

  在传统VOC中，参数选择冗长且耗时。本节使用PSO来设计VOC的参数，这易于应用并提高了系统性能。

  文献[19]描述了设计VOC参数的过程，主要步骤如下。

  1）设置电压增益kv以生成PCS所需的输出电压，即kv=图片（Vrated为额定电压）。

  2）调整偏置电压参数 φ ，以确保系统能够在不同负载情况下在指定的电压范围内运行。

  3）调整电流增益 ki ，以便在额定操作期间，系统以尽可能低的电压工作。

  4）根据式（7）选择振荡器的 L 和 C参数。

  根据上述设计过程，适应度函数的最小值与参数值的最佳集合相匹配。

  基于粒子群算法的虚拟振荡器控制变流器的流程如图4所示，而图5显示了虚拟振荡器控制变流器适应度函数值与迭代次数之间的关系。PSO算法的参数值见表1。

图4 VOC-PSO控制流程

Fig.4 VOC-PSO control flow chart

图5 VOC-PSO的收敛曲线

Fig.5 Convergence curve of VOC-PSO

表1 PSO参数

Table 1 Parameters of PSO

  3 仿真验证

  采用单独直流电源的2台三相PCS并联的仿真模型，并对孤岛运行状态进行仿真，2台变流器共享三相平衡负载，如图1所示。在Droop和VSM控制器中，电流共享由下垂系数决定，而在VOC中，则由变流器额定功率决定。设置仿真初始负载为2 kW，然后在0.4 s时增加到3 kW，最后在0.6 s时恢复到2 kW。图6为均流效果，可以看出，VOC和VOC-PSO中的电流共享很明显，图6 c)和d)中的电流过零点也是相同的。图6 a)和b)显示Droop和VSM中的过零点并不完全匹配。与Droop和VSM控制方法相比，VOC和VOC-PSO方法表现更好。

图6 均流效果

Fig.6 Current sharing effect

  图7为并网点（point of common coupling，PCC）电压，可以看出，Droop、VSM、VOC和VOC-PSO中变流器输出电压同步。在Droop和VSM中，当负载在0.4 s和0.6 s突变时，负载电压的变化大于VOC和VOC-PSO中的变化。VOC概念基于死区振荡器，它能保持恒定的输出电压和频率。因此，当负载突变时，传统虚拟振荡器控制变流器中的负载侧电压变化比Droop和VSM控制方法的负载侧电压变化更小，而所提出的改进虚拟振荡器控制也比传统VOC控制具有更快的输出电压同步能力。

图7 PCC电压

Fig.7 PCC voltage

  图8为上述4种控制方法的负载电流。如上述所述，对于相同的负载变化，所有控制器中的稳态响应几乎相同。然而，与Droop和VSM相比，采用VOC和VOC-PSO的系统的动态性能更好。基于VSM的系统比基于Droop的系统具有更好的动态响应。VOC中的所有变流器具有相同的电流过零点，而Droop和VSM中的过零点位置不同。

图8 负载电流

Fig.8 Load current

  图9显示了负载扰动期间，采用上述4种不同控制机制时的系统频率响应。可以看出，在Droop控制中，当负载变化时，系统频率突然下降，导致频率变化率较大，这表明稳定性较差（可能导致不必要的继电器跳闸）。VSM控制的频率变化率低于Droop和VOC。由于VOC使用实时电流反馈信号，频率的变化率比VSM高得多。与Droop和VSM相比，VOC和VOC-PSO的稳态频率误差更低。

图9 负载变化的频率响应

Fig.9 Frequency response to load changes

  图10显示了Droop、VSM、VOC和VOC-PSO的有功功率跟踪效果。VOC是一种时域控制方法，不需要进一步功率计算。因此，VOC和VOC-PSO的动态响应比Droop和VSM控制更快，而基于VSM的系统比基于Droop的系统具有更好的动态响应。上述4种控制器的动态响应如表2所示，其中tr、ts和ess分别为上升时间、调节时间和稳态误差。与传统VOC方法相比，所提出的VOC-PSO方法的响应更快。

图10 有功功率对负载变化的动态响应

Fig.10 Active power's dynamic response to load changes

表2 Droop、VSM、VOC和VOC-PSO的动态响应

Table 2 Dynamic response of Droop、VSM、VOC and VOC-PSO

  4 结论

  本文对储能系统中储能变流器并联控制技术进行了研究，分析了储能变流器多机并联的结构，探讨了负载突变情境下储能变流器控制的动态响应。主要结论如下。

  1）通过非线性惯性权重和异步动态调整学习因子来避免传统粒子群算法容易陷入局部最优的问题，用此方法能收敛到较为准确的解。且粒子群算法能提供优越的VOC设计参数，使得所提出的VOC-PSO比传统VOC具有更快的同步速度。在所提出的控制方法中，有功功率跟踪更加准确。在Matlab仿真中，VOC-PSO的动态响应优于Droop和VSM控制。

  2）在孤岛式模式中，所有控制方案都不需要变流器之间的通信，且VSM中频率的变化较小。其中，VOC-PSO控制在同步和电流共享方面，相较于其他控制方法有一定的优越性。此外，VOC控制中的同步条件独立于负载特性和变流器数量之外，表明了其在不同系统配置下的适应性。

  VOC-PSO具备构网支撑能力，能够维持电网电压和频率稳定，对于有功功率的跟踪也较为精准，但是对于无功功率的控制是VOC-PSO所面临的难题，后续会对基于VOC-PSO的无功功率准确跟踪做进一步研究。考虑到改变控制策略需要对现有储能能量管理系统软件进行修改，本文基于现有系统参数进行仿真设计分析，能量管理系统优化也值得后续深入研究。

  注：本文内容呈现略有调整，如需要请查看原文。