基于自适应能量的网格连接电池储能系统有限时间控制方法，采用二次升压逆变器实现

《Journal of Energy Storage》：Adaptive energy based finite time control of a grid connected battery energy storage system using a quadratic boost inverter

　　Md Samiullah|Ali T. Al-Awami|Mahmoud S. AbouOmar
沙特阿拉伯达兰，法赫德石油矿业大学IRC智能交通与物流研究所

**摘要**
本文针对通过高增益二次升压逆变器与电网相连的电池储能系统，提出了一种自适应的、基于能量的有限时间控制策略。在同步旋转参考框架下建立了该升压逆变器的详细平均非线性模型，从而捕捉直流侧能量动态与电网侧电流之间的耦合关系。为应对电池输出的不确定性及功率变化，该策略采用基于能量优化的自适应外环控制器来调节直流侧电压，该控制器包含用于实时估算直流侧净功率的估计器。对于交流侧的电流控制，则设计了超扭转滑模调节器，能够在有限时间内跟踪有功和无功电流参考值，同时保持连续的控制信号。基于李雅普诺夫分析，证明了电流跟踪误差的有限时间收敛性以及直流侧电压的渐近稳定性。所提出的方案能够在不牺牲直流侧稳定性的前提下，实现单位功率因数运行与无功功率支撑之间的无缝切换。仿真研究以及与PI控制和ISMC控制器的对比表明，在直流侧存在不确定性的情况下，该方案具有更强的扰动抑制能力、更快的瞬态响应速度以及更优质的电流质量。此外，有功功率与无功功率流的明显解耦以及稳定的直流侧电压调控，进一步证明了该控制方法在采用二次升压逆变器的并网电池储能系统中的应用效果。

**引言**
可再生能源资源，尤其是光伏阵列和燃料电池系统的快速普及，已经改变了电力行业格局。为缓解这些能源的间歇性问题并提升电网稳定性，电池储能系统及其他储能技术被越来越多地集成到电力网络中[1][2][3]。然而，这类直流电源往往输出电压较低且波动较大，无法直接通过传统的电压源逆变器接入电网。因此，储能逆变器必须在保持高效率和高可靠性的同时，适应较宽的输入电压范围[4][5][6]。

实际应用中常见的解决方案是采用两级架构：首先通过直流-直流升压转换器提升输入电压，然后再由并网逆变器处理该电压。尽管这种方案较为可靠，但由于多了一个转换级及其控制电路，会导致额外的开关损耗、更高的系统复杂性以及更高的成本[7][8]。在储能领域，效率与元件数量至关重要，这些缺点显得更为突出。这促使人们开始研究能够同时实现电压提升与逆变功能的单级升降压逆变器拓扑结构。相关研究指出，这类拓扑结构可通过省略中间直流-直流级来减少硬件需求并提升效率[9]。其中，包括Z源逆变器和准Z源逆变器在内的阻抗源逆变器家族尤为受到关注[10][11][12]。通过在直流电源与逆变器桥之间插入阻抗网络，这类拓扑结构能够在单级系统中实现电压提升与逆变功能的结合[13][14][15]。不过，它们往往从储能装置中抽取不连续的电流，且会导致明显的直流侧电压纹波，这会增加无源元件的负担，并降低注入电网的电能质量[16]。

为解决这些问题，分裂源逆变器应运而生，它通过重新配置无源网络，提供连续的输入电流和更平稳的直流侧电压，从而使该逆变器能够与传统的调制方案相兼容[17][18]。尽管如此，传统的分裂源逆变器架构的电压提升能力较为有限。为满足并网储能系统通常所需的较高电压水平，人们提出了基于分裂源逆变器的高增益结构[19]。特别是，通过合理设计分裂源网络，QBI拓扑结构能够实现输入电压与输出电压之间的二次函数关系，从而显著提升升压能力，同时保留分裂源逆变器所具有的连续电流输出和低纹波直流侧电压的优点[20]。正因如此，基于QBI的逆变器已成为将电池组、燃料电池堆等低压储能装置通过单级结构接入电网的理想选择（见图1）。

除了拓扑结构之外，控制策略也在决定用于储能系统的并网单级逆变器性能方面起着关键作用。直流侧电容器作为储能源与电网之间的主要能量缓冲器，其电压的精确调控对于确保系统稳定运行、维持调制线性度以及准确控制电网电流至关重要[21][22][23]。传统的控制架构通常在同步参考框架下采用级联的比例-积分控制器：外环控制器通过调整有功电流参考值来控制直流侧电压，而内环则负责控制电网电流[24]。稳定性分析表明，这类基于PI的控制方法对参数变化和运行点变化较为敏感，尤其是在直流与交流动态强烈耦合的单级系统中[25]。因此，非线性控制技术因其能够提升系统的鲁棒性和动态性能而受到重视。例如，滑模控制能够将系统轨迹约束在预定的滑面上，从而有效抵御匹配性不确定性和干扰[26]。对于用于储能应用的高增益单级逆变器，滑模控制甚至能够在负载和电源条件变化的情况下，同时维持直流侧电压稳定并控制电网电流。因此，选择并设计合适的控制方案对于充分发挥高增益单级逆变器在先进储能系统中的潜力具有重要意义。不过，传统的第一阶滑模控制存在抖振问题，而这在电力电子应用中是不希望出现的[27]。

高阶滑模控制技术，尤其是超扭转算法，通过确保滑模变量的有限时间收敛性，同时保持连续的控制动作，克服了这一缺陷[34][35]。基于超扭转算法的电流控制策略已成功应用于Z源逆变器、准Z源逆变器以及QBI系统中，与线性控制器相比，它们具有更好的瞬态性能和鲁棒性[36][37][38]。尽管取得了这些进展，现有的QBI及相关单级逆变器控制方法仍存在一些局限性。许多基于超扭转算法的设计主要侧重于电网电流的控制，同时采用线性或准线性的直流侧电压控制策略，并假设直流侧注入的功率是已知或变化缓慢的[37]。其他研究则采用基于调制的控制策略或模型预测控制策略来调节直流侧电压和电网电流[18][39]，但这些方法往往需要依赖复杂的、与拓扑结构相关的模型，且计算复杂度较高。此外，虽然直流侧电压动态本质上反映了直流电源与电网之间的能量平衡过程，但在控制设计中并不总是明确利用这一能量平衡机制，尤其是在直流侧存在不确定性的情况下[25]。目前已有多种控制策略被应用于准Z源逆变器及相关单级逆变系统，包括滑模控制、预测控制、级联PI控制以及广义平均建模方法[28][29][30][31][32][33]。现有研究主要聚焦于直流/交流协同控制、电流控制以及稳定性提升；然而，通过基于能量的显式公式对直流侧不确定性进行自适应补偿的方法仍大多未被探索。此外，大多数现有方法依赖于线性的直流侧电压控制或预定的运行条件，这可能在电源侧动态发生变化时限制系统的鲁棒性。表1总结了各类典型控制方法及其所实现的控制功能。

鉴于上述局限性，本文提出了一种基于能量的自适应控制框架，用于采用二次升压逆变器的并网电池储能系统。该框架将直流侧动态以存储能量为基准进行建模，从而直接体现电源与电网之间的能量平衡关系。直流侧注入的功率被视为未知参数，并通过在线估算的方式进行处理，这样控制器无需对电池或升压环节进行详细建模，即可补偿电源侧的不确定性。在电网侧，则采用基于超扭转算法的有限时间电流控制器，以确保快速且稳定地跟踪有功和无功电流参考值。与那些依赖已知直流侧功率或拓扑相关模型的现有方法不同，本文提出的框架将直流侧电压控制问题置于能量平衡的框架下，并纳入了对注入功率的自适应估算，从而能够在直流侧存在不确定性的情况下实现稳健控制，同时保持与开关级动态无关的简洁模型结构。

本文的主要贡献如下：
• 提出了一种用于并网电池储能系统的紧凑型非线性模型，该模型结合了直流侧能量动态与电网侧电流行为的特点。
• 设计了一种基于能量的自适应外环控制器，用于调节直流侧电压，以补偿电池功率注入的不确定性及时间变化。
• 整合了一种基于超扭转算法的有限时间内环电流控制器，以支持所提出的基于能量的自适应直流侧电压控制框架。
• 通过基于李雅普诺夫的分析，证明了直流侧电压的渐近稳定性以及电网电流误差的有限时间收敛性。
• 通过全面的仿真研究，证明了该控制方案在单位功率因数运行及无功功率支撑模式下，具有有效的直流侧电压调节能力、高质量的电网电流波形以及良好的系统鲁棒性。

本文的其余部分结构如下：第2节介绍并网电池储能系统的数学建模方法；第3节阐述控制目标；第4节详细说明所提出的自适应有限时间控制策略及其稳定性分析；第5节展示不同运行场景下的仿真结果；第6节对全文进行总结。

**系统概述**
本研究涉及的系统是一种三相并网电力变换器，其在直流侧包含二次升压环节，交流侧则装有电感滤波器。该变换器由电压为Es的直流电源供电，与工作在角频率为Ωg的平衡三相电网相连。二次升压环节由直流侧的调制变量μb∈(0,1)控制，而并网逆变器则通过电压指令υα和υβ来进行控制。

**控制问题建模**
本文采用的控制结构为级联设计，包括用于调节直流侧能量的自适应外环控制器，以及用于跟踪电网电流的内环控制器。这种结构是基于直流侧能量动态变化较慢、而电网电流动态变化较快这一特点而设计的。外环控制器负责调节直流电源与电网之间的能量平衡，而内环控制器则确保快速的电流跟踪及功率流控制。考虑以下非线性系统（20）。

**所提出的自适应有限时间控制策略**
本节介绍了针对并网二次升压逆变器的自适应有限时间控制框架。该控制架构包括用于调节直流侧电压的自适应能量基外环控制器，以及基于超扭转滑模算法的有限时间内环电流控制器。

**单位功率因数运行**
本小节评估了所提出的控制策略在单位功率因数运行模式下的性能，此时无功电流参考值设为零，即κβ?=0。在后续结果中，正的电网功率Pg表示从变换器输送到电网的功率。为评估系统的鲁棒性，在t=0.25s时引入直流侧运行条件的阶跃变化，以此模拟直流侧注入功率的变化。图2展示了系统的主要响应特性。

**性能对比评估**
为进一步验证所提出的基于能量的自适应有限时间控制策略的有效性，本文将其与文献中常见的三种用于并网单级逆变器及阻抗源逆变器的控制策略进行了性能对比。所有控制策略均在相同的系统参数、参考条件及扰动场景下进行测试，以确保公平比较。对比重点在于直流侧电压的控制效果。

**结论**
本文提出了一种基于能量的自适应有限时间控制策略，用于采用二次升压逆变器的并网电池储能系统。该策略将直流侧电压控制问题以电容器能量为基准进行建模，从而直接反映直流电源与电网之间的能量平衡关系。此外，还设计了一种自适应外环控制器，用于在线估算直流侧未知的注入功率，从而无需对变换器进行详细建模即可补偿电源侧的不确定性。

**作者贡献声明**
Md Samiullah：撰写原文初稿、软件应用、方法设计。
Ali T. Al-Awami：撰写文章的审阅与编辑工作、项目指导、资源提供。
Mahmoud S. AbouOmar：撰写文章的审阅与编辑工作、方案验证、资源提供。

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

**致谢**
作者感谢沙特阿拉伯法赫德石油矿业大学IRC智能交通与物流研究所提供的支持，相关资助项目编号为INML2652。