1、2023.1Vol.47No.1研 究 与 设 计收稿日期：2022-06-25基金项目：国家自然科学基金面上项目(51877152)；天津自然科学基金(18JCZDJC97300)作者简介：马幼捷(1964)，女，天津市人，博士，教授，主要研究方向为新能源发电技术、智能电网。通信作者：张超，E-mail：基于自抗扰的混合储能系统控制策略马幼捷1,2，张 超1,2，周雪松1,2(1.天津理工大学 电气工程与自动化学院，天津 300384；2.天津理工大学 天津市复杂系统控制理论与应用重点实验室，天津 300384)摘要：混合储能系统作为独立光储直流微电网的重要组成部分，兼具能量型储能和功率型储
2、能技术特性，可以实现微电网系统内不平衡功率的平抑以及直流电压的稳定。为提高混合储能系统工作性能，提出了一种基于自抗扰的控制策略，利用扩张状态观测器对内、外未知扰动进行观测估计与扰动补偿，并引入模糊自适应与扩张状态观测器相结合，从而提高系统的稳定性与抗扰性。在Matlab/Simulink数字平台对混合储能系统进行了建模仿真，验证了该控制策略的可行性与优越性。关键词：直流微电网；混合储能系统；自抗扰控制；扩张状态观测器；模糊控制中图分类号：TM 727文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)01-0122-05DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.0
3、1.027Control strategy of hybrid energy storage system based on activedisturbance rejectionMAYoujie1,2,ZHANG Chao1,2,ZHOU Xuesong1,2(1.School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China;2.Tianjin Key Laboratory of Control Theory and Application for C
4、omplex Systems,Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China)Abstract：As an important part of the independent optical DC microgrid,the hybrid energy storage system has bothenergy storage and power storage technical characteristics,which can effectively realize the suppression of unbalancedpo
5、wer and the stability of DC voltage in the microgrid system.In order to improve the performance of hybrid energystorage system,a control strategy based on active disturbance rejection control(ADRC)was proposed.The extendedstate observer was used to estimate and compensate the internal and external u
6、nknown disturbances,and fuzzyadaptive was combined with the extended state observer to improve the stability and disturbance rejection of thesystem.Finally,the simulation of the hybrid energy storage system is carried out on Matlab/Simulink digital platform,which verifies the feasibility and superio
7、rity of the control strategy.Key words：DC microgrid；hybrid energy storage system；active disturbance rejection control；extended stateobserver；fuzzy control随着微电网技术的发展与应用，光伏发电与储能装置结合已成为目前最典型的微电网应用和示范形式。由于分布式电源输出功率的间歇性和波动性，很难维持微电网系统内母线电压的稳定和能量的平衡，往往需要加入储能系统来达到“削峰填谷”的效果。但是受储能技术发展的限制，目前没有任何一种单一的储能技术可以同时满足
8、能量密度、功率密度和环境特性等多项指标，因此混合储能系统的应用有着很大的必要性。蓄电池和超级电容分别作为高能量密度和高功率密度型储能设备，在技术性能上具有很强的互补特性，并在光储微电网中得到了广泛应用1-3。直流微电网中混合储能系统的研究主要集中在系统内不平衡功率分配以及直流变换器的协调控制策略方面。文献4-5提出了利用滤波算法对系统内不平衡功率进行分频处理，并对蓄电池和超级电容器的不同频段功率分别进行平抑；文献6提出了一种考虑混合储能各单元的工作特性以及充放电裕量，通过设定蓄电池和超级电容的工作阈值来提高系统的动态响应速度；文献7利用虚拟阻抗和虚拟电压源，实现了系统能量管理并减少了超级电容荷
9、电状态恢复对正常功率波动补偿效率的影响；文献8提出了一种移动平均滤波算法的自适应能量控制策略，实现了系统内能量均衡，提高了系统实用性与经济性。以上所提控制策略都是以 PI控制器为基础的，PI控制是基于实测值的滞后被动反馈调节，从某种程度上降低了系统的控制效果。自抗扰控制最早由韩京清研究员提出，通过结合 PID天然抗扰与模型无关和现代控制理论状态观测的优点，从工程应用角度出发，使强非线性系统、强耦合系统得到了很好的控制。本文对直流微电网中混合储能系统控制策略进行了改1222023.1Vol.47No.1研 究 与 设 计进，利用自抗扰控制代替传统 PI双闭环控制，并针对扩张状态观测器(ESO)环
10、节引入了模糊自适应控制，通过实验仿真验证了所提控制策略对于系统内直流母线电压和功率波动平抑效果的正确性和有效性。1 独立光储系统结构以独立光储直流微电网作为对象，其系统结构如图 1所示，其中光伏微源通过单向Boost变换器与直流负载相连，蓄电池和超级电容组成复合型储能系统并各自通过双向 DC-DC变换器与直流负载相连。直流负载两端端电压作为直流母线电压Udc，可以清楚反映系统稳定性和系统内功率平衡。独立型直流微电网的典型特性体现在与大电网没有物理连接，可再生能源发电渗透率高、负荷波动大，峰谷差、季节差较大，含调节能量平衡用的储能系统等，因此系统内直流母线电压的稳定和能量的平衡由光伏微源和混合储
11、能系统进行协调控制9。系统内能量供需流动关系满足：PHESS=PPV-PLoad(1)PB=PHESS1Ts+1(2)PSC=PHESS-PB(3)式中：PHESS为混合储能系统吸收或发出的总功率；1/(Ts+1)表示低通滤波环节，其中T为微分时间，s为微分算子。2 双向DC-DC变换器建模双向DC-DC变换器作为混合储能系统的重要组成部分，承担着能量在混合储能系统中的双向流动，通过对变换器不同开关管占空比的控制，从而到达储能单元的充放电任务。Boost模式下双向DC-DC变换器的结构如图2所示10-11。以蓄电池储能源为例，通过控制开关管 VT1和VT2的占空比，实现变换器在Boost和Bu
12、ck模式下的状态切换。2.1 Boost模式下的数学模型当 VT2 管关断、VT1 管处于 ton导通时间内，反并联二极管D1、D2截止，储能源工作在放电状态，抑制直流母线电压降低。当 VT2 管关断，VT1 处于 toff关断时间内，反并联二极管D1截止、D2导通，电感电流起续流作用。以电感电流 IL和直流母线电压 Udc为状态变量，采用状态空间平均法可得 Boost模式下的状态空间表达式：I?LU?dc=0-1-DL1-DC-1RCILUdc+1L0U0(4)经过小信号建模得到其传递函数：|GIL,D(s)=I?L(s)D?(s)U?0(s)=0=Udc(sC+1/R)+(1-D)ILLC
13、s2+Ls/R+(1-D)2|GUdc,D(s)=U?dc(s)D?(s)U?0(s)=0=(1-D)Udc+sLILLCs2+Ls/R+(1-D)2(5)式中：D为开关管VT1的占空比，D=ton/(ton+toff)。2.2 Buck模式下的数学模型同理，采用小信号建模可得 Buck模式下的传递函数，其中D为开关管VT2的占空比。|GIL,D(s)=I?L(s)D?(s)U?dc(s)=0=UdcLCs2+Ls/R+1|GU0,D(s)=U?0(s)D?(s)U?dc(s)=0=Udc(sC+1/R)LCs2+Ls/R+1(6)3 系统能量平衡控制策略相较于一般控制器而言，自抗扰控制器最大
14、的特点就是不依赖于被控对象的精确数学模型，可以实现对系统内外扰动的实施估计并进行补偿，具有很强的抗扰性和鲁棒性。研究采用结合模糊自适应的自抗扰电压外环控制和基于自抗扰的电流内环控制构成双闭环自抗扰控制策略对传统双闭环PI控制策略对混合储能系统进行改进，以提高系统的动态响应速度和系统稳定性。设计的混合储能系统双闭环控制策略结构如图3所示12-14。3.1 模糊自抗扰电压外环控制器直流微电网系统存在外部干扰和内部参数不确定性，为了获得稳定的直流母线电压和提高系统对于扰动的抗扰性，设计了如图4所示的模糊自抗扰电压外环控制器，控制器主要由跟踪微分器(TD)、模糊扩张状态观测器(F-ESO)、非线性误差
15、反馈控制律(NLSEF)、一阶低通滤波器(First-Order Filter)四部分组成，其中，限流模块的加入实现对蓄电池的过充保护。图1独立光储直流微电网结构图2双向DC-DC变换器结构(Boost)图3混合储能系统双闭环控制策略结构1232023.1Vol.47No.1研 究 与 设 计3.1.1 跟踪微分器跟踪微分器为直流母线电压给定值Udc-ref安排过渡过程，使系统追踪这个过渡过程，从而克服传统PI控制器中超调与快速性无法解决的矛盾，提高系统的鲁棒性，其公式为：v0(t+1)=v0(t)+0v1(t)(7)v1(t+1)=v0(t)+0fst x0(t)-Udc-ref(t),x1
16、(t),r0,h0(8)式中：x0(t)为 Udc-ref(t)的跟踪值；0为积分步长；r0、h0分别为函数控制参数速度因子和滤波因子；fst为最速综合控制函数。3.1.2 模糊扩张状态观测器模糊自适应控制同自抗扰控制一样，不依赖控制对象精确的数学模型，是主要利用模糊集合理论和模糊逻辑推理来解决实际工程问题的一种策略。模糊控制器是一类具有深度学习能力的控制系统，通过模糊推理来学习系统内部以及系统与外部的动态关系，最终将模糊化的输入值输出为一个清晰值，其控制系统结构如图5所示。扩张状态观测器作为自抗扰控制器的核心环节，对作用在系统动力学模型上的系统内部不确定性和外部扰动作为一个扩张状态并在控制器中进行补偿。扩张状态观测器的实现形式为：e(t)=z1(t)-Udc(t)(9)z1(t+1)=z2(t)-1fal(e,r2,h2)+b1u(t)(10)z2(t+1)=-2fal(e,r2,h2)(11)式中：1、2为扩张状态观测器的输出误差校正参数；b1为补偿因子；fal为最优控制函数，其函数表达式如下，其中sgn为符号函数。fal=(e,r,h)=|esgn(e),|e rer1-,|e