采用控制器硬件在环（HIL）验证技术的三相混合能源存储系统集中控制，用于频率调节

《Journal of Energy Storage》：Centralised control of tribrid energy storage system for frequency regulation with controller hardware-in-the-loop validation

　　奥萨玛·M·T·阿贾米 | 罗德尼·H·G·坦 | 米图拉南坦·纳达拉贾 | 法拉·阿迪拉·贾马鲁丁
马来西亚吉隆坡UCSI大学电气与电子工程系

**摘要**
随着可再生能源（RE）渗透率的增加，电网的惯性减小，频率调节能力下降，从而导致稳定性降低。储能系统（ESS）是提高惯性降低系统中频率稳定性的有效解决方案，这些系统具有不同的互补特性。采用不同类型的ESS带来了控制挑战。本文采用了一种三能储能系统（TESS），并提出了相应的集中式控制器。该系统由超级电容器储能系统（SCES）、电动汽车（EV）和蓄电池储能系统（BESS）组成。TESS的配置基于它们在调度功率、能量密度和可用性方面的互补特性。所提出的集中式控制器包括用于快速响应的微分-衰减（derivative-droop）组件，通过滤波器进一步抑制噪声，并结合比例-积分（PI）组件以增强稳态性能，因此被称为虚拟惯性和阻尼与PI（VD-PI）控制器。与其他控制器相比，该控制器被证明更为有效。通过在配备可再生能源的动态微电网模型中开展控制器硬件在环（C-HIL）验证，证明了其有效性，验证涵盖了供需不平衡和不同惯性水平等多种情景。在最糟糕的情景下，该控制器将频率低谷提高了3.87%，并将频率偏差减少了71.16%。在带有高压直流输电线路（HVDC）的多区域模型中，平均提高了1.44%的频率低谷幅度和2.16%的频率上升幅度。这些发现证明了所提出的集中式控制器与TESS结合使用的有效性。

**引言**
化石燃料发电对环境的负面影响[1]促进了可再生能源（RE）在当前电网系统中的更广泛应用。此外，可再生能源环保特性及其在减少温室气体排放方面的积极作用[2]，使其成为联合国可持续发展目标（SDGs）第7项倡议中的重点。随着更多国家采用可再生能源[3]，电网因其固有特性而面临挑战。电网稳定性的关键因素之一是维持发电与消费之间的平衡[4]，即供需平衡。由于可再生能源受天气条件影响而难以控制[5]，而传统发电厂则利用同步发电机（SG）和自动机制来维持供需平衡[6]。负荷频率控制（LFC）是一种通过确保电力系统频率稳定来维持供需平衡的机制。保持频率在指定范围内可以防止保护继电器跳闸，并在关键情况下避免系统范围的大规模停电。随着SG数量减少以及系统惯性的降低，以及可再生能源采纳率的增加，系统运行指标（如频率变化率（ROCOF）逐渐恶化。这种现象在澳大利亚、爱尔兰、英国和丹麦等地都有观察到[7]。然而，降低运行指标并不能从根本上解决这一问题。

**文献综述**
文献从不同角度探讨了这一问题：一部分研究致力于改进LFC机制以减轻惯性不足的问题；另一部分研究则探讨了利用储能系统（ESS）模拟惯性。最近也有混合方法的研究出现。在控制器优化、控制器类型和测试系统方面，各种文献中的改进措施各不相同。比例-积分-微分控制（PID）在文献中被广泛使用，并对其优化方法进行了对比[8]。在[8]中，作者使用灰狼优化算法调整PID控制器，目标是最小化频率的积分时间绝对和（ITAE）；[9]中使用粒子群优化进行相同目标的调整；[10]中结合滤波器的PID控制器采用抒情桥优化算法以最小化ITAE；[11]中使用带有加速度的PID和基于教学-学习的混合优化算法，目标是最小化积分平方误差（ISE）[12]；[13]中提出了PI-PD控制，并通过一对一优化结合ITSE进行调整；[14]中将PID控制扩展到分数阶控制；[15]中提出了倾斜分数阶微分控制，并使用帝国殖民者算法进行优化[16]；其他研究比较了PID、倾斜积分微分（TID）和分数阶PID与水母搜索优化，得出TID在水母搜索优化下效果最佳的结论[17]；还有研究探索了其他高级控制应用[18-25]。例如[17]提出了区间型二阶模糊逻辑控制用于频率调节，[18]提出了三阶模糊逻辑控制[19]；一些研究将ESS整合到频率控制器中[20-24]；[21]提出了基于模型预测控制的电厂和储能系统控制方案[21-23]；[25]提出了适用于多区域电力系统的改进频率稳定性的改进滑动模式控制器[24-26]。随着更多可再生能源的采用和更多传统发电机的退役，频率稳定性问题将更加突出。利用系统中的任何资源（如ESS）来提高频率变得必要。尽管先进的LFC控制模型可能有效，但设计复杂性可能导致实际应用受限（如分数阶控制需要复杂的调整算法和大量参数）。此外，将ESS与负荷频率控制器结合使用时也较为复杂，需要大量调整，并受通信延迟等现实因素影响。目前，这些控制方案主要在理论模拟中进行测试，尚未评估其在专用硬件上的可行性。实际上，改进的负荷频率控制器并未解决频率稳定性的根本原因——系统中惯性降低的问题。

**其他研究**
一些研究专注于改进各类ESS的控制以提高频率稳定性[26-36]：例如使用超导磁能储能（SMES）与微分控制模拟惯性[26]；[27]提出了基于微分-衰减的动态控制环路用于超级电容器储能（SCES）[27]；[28]使用分数阶控制器控制SCES[28]；[29]首次提出混合储能系统（HESS），其中SCES贡献惯性，BESS贡献主次频率控制[29]；[30]将HESS控制扩展到其他惯性控制配置[30]；[31]提出了包含BESS、EV和SCES的三能储能系统（TESS）及阶段特定控制[31]；[32]提出了基于隐马尔可夫跳变系统的滑动模式控制观测器用于灾后分布式资源控制以提高系统稳定性[32]；[33]提出了深度强化学习优化的同步转换器控制策略以改善有功功率响应和减少频率偏差[33]；[34]提出了适应EV的多VSG控制框架以避免过放电并促进微电网频率稳定性[34]；[35]使用序贯多目标优化为EV分配不同的应急频率辅助服务[35]。表1总结了用于频率稳定性的各类ESS[36]。

**结论**
随着更多类型的ESS被用于频率稳定性，如SCES、BESS和EV，它们显示出巨大潜力。然而，文献中通常同时仅使用一到两种类型的ESS。每种ESS通常采用不同的控制环路，有些使用LFC环路，有些则使用特定技术的专用环路。因此，需要一种统一的控制方案来管理不同类型的ESS。集中式控制方案是指所有系统发电机都在同一集中式控制模式下运行。随着更多ESS的采用，更简单、有效的控制方法将是集中式控制系统，以提升频率稳定性。提出集中式ESS控制器的动机是为电网运营商提供补充现有LFC控制的其他控制方法，简化不同ESS的控制过程，从而推动更多类型ESS的采用。本文的贡献总结如下：
1. 将PID、FOPID和TID作为集中式控制器应用于由SCES、BESS和EV组成的TESS；
2. 提出了基于虚拟惯性和阻尼控制的新型集中式控制器VD-PI；
3. 通过控制器硬件在环（C-HIL）验证方法，在具有可再生能源渗透率和高压直流输电线路（HVDC）的微电网和电力系统中测试了所提出的集中式TESS（C-TESS）。

**论文结构**
第2节将介绍本文使用的建模和方法论，包括动态频率模拟模型、集中式控制器和硬件在环设置。第3节详细讨论了各种测试情景下的模拟和HIL结果，以展示所提出的控制器及其在孤立互联电网中的应用。第4节总结研究结论、贡献和未来方向。

**补充信息**
三能储能系统（TESS）由SCES、BESS和EV组成。SCES通过电场存储能量，而BESS通过化学反应存储能量。两者具有互补特性：SCES放电功率高但能量密度低，BESS能量密度高但放电功率低[37]。另一个显著特点是它们的初始成本相对较低，优于飞轮储能（FES）和超导磁能储能[37]。

**案例分析**
频率突发事件的主要原因是供需不平衡[37]。为了模拟系统中的突发事件，在微电网中应用了多步负荷扰动（MSLP）[7a]。随着可再生能源渗透率的增加，惯性不可避免地减少[48]，因此测试了两种不同惯性值（H100%和H80%的标称值）。

**结论**
本文提出了一种用于TESS的集中式控制器，包括SCES、BESS和EV，以提高频率稳定性，并考虑了该控制在嵌入式实时控制器上的实现。VD-PI集中式控制器与PID、FOPID和TID控制器进行了对比，验证了其有效性。该控制器在Texas LAUNCHXL-F28379D控制器中实现，并与Speedgoat实时机器配合使用进行测试[38]。

**作者贡献声明**
奥萨玛·M·T·阿贾米：撰写原文、可视化、软件开发、方法论设计、数据分析、概念构建；
罗德尼·H·G·坦：撰写修订稿、可视化、监督、资源协调、方法论设计、概念构建；
米图拉南坦·纳达拉贾：撰写修订稿、验证、监督、资源管理、方法论设计、概念构建。法拉·阿迪拉·贾马鲁丁（Farah Adilah Jamaludin）：撰写工作包括审稿与编辑、监督、资源整理以及项目申报；作者声明他们没有已知的财务利益冲突或可能影响本文所报告工作的个人关系。致谢：本研究得到了UCSI大学研究卓越与创新基金[REIG-FETBE-2024/006]的支持与资助。