分布式光-储发电系统的双向DC/DC非线性控制
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院、北京市昌平供电公司的研究人员黄炼、王朴、武建文、马速良、陈明轩，在2016年《电工技术学报》增刊2上撰文指出，近年来，分布式光-储发电系统正在迅速发展，储能跟踪源-网侧功率指令的能力成为研究热点。
首先建立储能系统中非隔离型双向DC/DC变换器在电流连续模式下的仿射非线性模型，并引入电压跟踪参数，得到大信号建模下的非线性状态空间描述；然后，依据状态反馈线性化条件，建立虚拟输出，利用非线性变换映射非线性空间至线性空间，并分析线性空间内二阶经典控制系统的参数对系统性能影响，计算状态反馈系数，完成控制器设计。
最后，经数字仿真及实验，证明了所提控制方法可准确、快速地实现功率指令跟踪功能，在电压扰动、负载突变及系统参数不准确等情况下具有强鲁棒性，是正确、有效的。
分布式发电能够充分利用清洁和可再生能源，与集中式发电互相补充，是解决能源与环境问题的有效手段之一[1-3]。在保证电网安全、稳定运行的前提下，大力发展分布式发电需要提高其在电网中渗透率。
目前行之有效的技术方案是：加入储能系统并合理、有效地控制其平衡分布式新能源发电、大电网以及用户负荷三者之间的功率需求。储能系统中的电力电子变换器的设计及控制成为分布式发电系统发展的重点技术环节[4-6]。
国内外专家学者对储能系统中的电力电子变换器建模与控制进行了大量研究。文献[7]建立交错并联磁集成的双向DC/DC变换器的交流小信号模型，并设计多项式控制器实现输出电压的跟踪。
文献[8] 提出一种隔离性双半桥型有源桥拓扑结构，并给出相应的控制方式，可降低开关管电压应力，无需额外电路可实现零电压导通关断。文献[9]分析三电平双向直流变换器工作原理，设计控制策略有效提高了超级电容器充放电效率和能量高效地双向流通。
文献[10]建立Boost电路的欧拉-拉格朗日模型，基于无源控制设计简单、鲁棒性高的控制器，验证无源控制器可行性。文献[11]针对电流连续模式（ContinuousCurrent Mode，CCM）下Boost变换器拓扑，设计非线性系统微分几何理论与传统比例积分微分（Proportional-Integral-Derivative，PID）控制优点相结合的混合控制结构取得了良好的控制效果。
文献[12]研究一种适用于高电压下超级电容储能系统的多模块多电平的双向DC/DC变换器，提出基于储能能量状态的控制方法，实现超级电容器组间均压控制。文献[13-15]均是基于一类非线性模型，通过状态反馈精确线性化理论推导，将非线性系统变为线性空间描述的白箱分析，并设计控制器完成控制目标。
文献[16-17]讨论在不能满足文献[13-15]中状态反馈线性化条件情况下，可以建立输入输出表征为线性的黑箱，通过经典控制理论设计控制器，完成系统期望性能要求。文献[18]结合状态反馈线性化控制与滑模变结构控制的特点，提出经状态反馈线性化后，于线性空间设计滑模控制器的新方法，克服了单一控制方法的不足。
文献[19]基于混杂系统理论，分析非隔离DC/DC功率变换器的动态特性，采用V步离散法建立分段仿射模型，结合预测控制和二次型性能指标设计实验样机，验证该模型预测控制其的有效性。
结合以上研究方法的优点，并弥补其在分布式光-储发电系统中的不足，本文提出一种基于非隔离双向DC/DC变换器大信号非线性模型的状态反馈控制方法。
首先，分析非隔离型双向DC/DC变换器的电路拓扑结构，建立其在CCM下的仿射非线性模型，将电压跟踪参数引入上述模型，得到大信号建模下含功率指令参数表征的非线性状态空间描述；然后，依据非线性控制理论构建虚拟输出，建立非线性变换矩阵，映射非线性空间至线性空间描述，并分析线性状态空间中得到的二阶经典控制系统参数对系统性能影响，合理设计参数，计算状态反馈系数；最后，进行数字仿真及实验验证。
图1 分布式光伏-储能系统结构框图
图8 实验样机与测试系统
结论
本文提出了用于分布式光伏-储能发电系统的非隔离双向DC/DC变流器的非线性控制方法，得到如下结论：
1）针对非隔离双向DC/DC变换器非线性系统，经状态反馈线性化后，采用大信号建模，得到的状态反馈控制器对系统静态工作点无要求，适用于储能系统频繁充放电工况。
2）本文的控制器设计对系统参数不敏感，具有强鲁棒性，对直流高压侧电压扰动、负载突变等工况具有较强的抗干扰能力。
3）本文的控制方法可快速、准确、无超调地跟踪功率指令，获得良好的控制效果，可有效地实现储能单元与直流高压侧的双向能量流通，在分布式光伏-储能发电系统中具有良好应用前景。