基于先进变压器的改进型超扭转滑模控制在孤立型混合可再生能源系统中提高可靠性和成本效益的技术与经济分析

《Journal of Power Sources》：Technical and economic analysis of improving reliability and cost effectiveness of ultra twisted sliding mode control based on advanced transformers in isolated hybrid renewable energy systems

自主微电网中九开关换流器与超扭曲滑模控制融合的混合可再生能源系统功率管理框架，通过公共直流链路集成微水电、风能和光伏系统，在减少25%开关数量同时保持双向功率流，利用边界层改进的超扭曲滑模控制消除抖振并确保有限时间收敛，实验验证稳态电压偏差低于2%，动态切换时低于5%，总谐波畸变降低至4.6%。

　　

赵彪阳|阿卜杜勒·加法尔

韩国首尔明治大学管理学院，邮编03674

摘要

随着分布式可再生能源的日益整合，自主微电网需要先进的转换器和强大的控制策略。本研究提出了一种集成的电力管理框架，该框架将九开关转换器（NSC）与超扭转滑模控制（STSMC）相结合，用于独立的混合可再生能源系统。该系统包括一个由微型水轮机驱动的22千瓦自励感应发电机、一个7.5千瓦双馈感应发电机风能系统，以及一个通过公共直流链路与电池储能系统连接的18千瓦光伏阵列。NSC取代了传统的背靠背转换器，将开关数量从十二个减少到九个，同时保持了双向功率流动。STSMC算法消除了抖振现象，同时确保了有限时间收敛性和参数鲁棒性。性能验证通过MATLAB/Simulink仿真以及使用OPAL-RT 4510进行的实时硬件在环测试来完成，测试涵盖了线性/非线性负载转换、电机启动和电源断开等场景。结果表明，在稳态下电压偏差低于2%，在动态切换过程中电压偏差控制在5%以内；与PI控制系统相比，总谐波失真从19%降低到了4.6%。这些发现表明NSC-STSMC是一种可行且高效的解决方案，能够改善自主微电网的功率调节性能，提高动态响应能力并减少谐波含量。

引言

全球向可持续能源系统的转型加速了分布式可再生能源的部署，从根本上改变了传统的发电模式[1]。集成多种可再生能源的自主微电网为偏远地区的电气化和弹性电力供应提供了有力的解决方案，但其成功运行需要复杂的电力电子接口和先进的控制架构，以应对发电的间歇性[2]。风能、太阳能和微型水力资源的结合在独立系统中引入了复杂的功率平衡挑战，传统控制方法难以有效解决[3]。随着可再生能源渗透率的增加，对电压调节、频率稳定性和谐波抑制的技术要求变得更加严格，这需要创新的转换器拓扑结构和强大的非线性控制策略[4]。这一技术需求激发了人们对于开发集成解决方案的浓厚兴趣，这些解决方案能够在多种运行条件下同时优化功率转换效率并确保系统可靠性。

混合可再生能源系统通常采用背靠背（BTB）转换器配置，该配置包含十二个半导体开关，用于将多个发电源与公共交流母线连接[5]。虽然BTB转换器可以独立控制机侧和网侧的功率流动，但其较高的组件数量增加了系统的复杂性、切换损耗和总体成本[6]。九开关转换器（NSC）作为一种有吸引力的替代方案出现，它将开关数量减少了25%，同时通过共享的切换支路保持了双向功率流动能力[7]。这一拓扑优势使得NSC能够应用于从电动弹簧操作到基于双馈感应发电机（DFIG）的风能系统的故障穿越增强等多种场景[8]。同时，自励感应发电机（SEIG）由于其无刷结构、机械强度高和维护要求低，继续在微型水力发电应用中发挥作用[9]。通过公共直流链路将光伏阵列与电池储能系统（BESS）集成，为自主微电网配置提供了必要的操作灵活性[10]。

传统的比例-积分（PI）控制器由于其实现简单性和成熟的调谐方法而在电力转换器控制中占据主导地位[11]。然而，基于PI的方法存在固有局限性，包括对参数变化的敏感性、在瞬态期间的动态响应迟缓，以及在非线性运行条件下的干扰抑制能力不足[12]。模型预测控制（MPC）在处理约束和多目标优化方面具有优势，但计算复杂性和对模型精度的敏感性限制了其实时应用[13]。滑模控制（SMC）通过可变结构控制动作提供了对参数不确定性和外部干扰的强大性能，尽管传统的单阶SMC实现存在不希望出现的抖振现象，这会加速组件磨损并产生电磁干扰[14]。超扭转算法作为二阶滑模控制的一种变体，消除了抖振现象，同时保持了有限时间收敛性和参数鲁棒性[15]。尽管对NSC拓扑结构和超扭转滑模控制（STSMC）算法进行了大量单独研究，但在需要同时进行电压-频率调节和谐波补偿的自主多源可再生能源系统中，关于它们协同集成的关键研究空白仍然存在。

本研究通过提出一种结合NSC拓扑和STSMC的集成电力管理框架来填补这一研究空白，用于自主混合可再生能源系统。所研究的配置包括一个基于22千瓦SEIG的微型水力发电单元、一个由7.5千瓦DFIG驱动的风能转换系统，以及一个通过NSC的直流链路与电池储能系统连接的光伏阵列。STSMC算法负责DFIG的转子侧转换器控制，以实现功率调节，以及实无功功率转换器控制，以实现负载侧的电压-频率稳定。系统性能验证包括MATLAB/Simulink仿真，并使用OPAL-RT 4510实时仿真器进行硬件在环（HIL）测试，测试了线性和非线性负载转换、感应电机启动瞬态以及完全电源断开等场景。

本研究的主要贡献如下：(i) 开发了一种集成的NSC-STSMC控制架构，实现了三源自主微电网的统一电力管理，与传统BTB配置相比，开关数量减少了25%，同时在稳态运行下的电压偏差低于2%；(ii) 设计并实现了改进的边界层超扭转控制器，用于转子侧和实无功功率转换器，消除了抖振现象，同时确保了在参数不确定性下的有限时间收敛性；(iii) 通过基于OPAL-RT的HIL测试进行了全面实验验证，证明总谐波失真从19%降低到了4.6%，在非线性负载切换过程中的动态电压偏差控制在5%以内；(iv) 系统性比较分析表明，STSMC在稳定时间、超调减少和干扰抑制能力方面优于传统PI控制；(v) 敏感性分析为不同运行条件下的实际NSC-STSMC实现提供了参数选择指南。本文的其余部分安排如下：第2节介绍文献综述，第3节描述系统配置，第4节详细阐述提出的控制方法，第5节介绍仿真环境，第6节展示结果和分析，第7节讨论敏感性分析，第8节提供比较讨论和局限性分析，第9节总结未来研究方向。

部分摘录

文献综述

本节系统地回顾了与可再生能源集成相关的电力转换器拓扑结构、自主微电网的先进控制策略以及滑模控制技术的发展。截至2022年，全球安装的风能容量超过了906吉瓦，其中双馈感应发电机占全球变速风电机安装量的大约70%[16]。同时，光伏发电的装机容量已超过1185吉瓦。

系统配置和概述

所提出的自主混合可再生能源系统通过一个中央化的九开关转换器拓扑集成了三个独立的发电源，如图1所示。该配置包括一个额定为22千瓦的自励感应发电机（SEIG）、一个使用7.5千瓦双馈感应发电机（DFIG）的风能转换系统，以及一个通过公共直流链路与电池储能系统（BESS）连接的光伏阵列。

提出的控制策略

本节介绍了采用超扭转滑模控制（STSMC）与九开关转换器（NSC）相结合的自主混合可再生能源系统的综合控制架构。所提出的控制策略解决了具有多种可再生能源的孤立微电网中的电压调节、频率稳定性和电能质量管理的基本挑战。控制框架包括四个相互连接的子系统：转子侧转换器

仿真环境和参数

本节介绍了用于验证所提出的NSC-STSMC控制框架的全面仿真环境和参数。采用了一种双重验证方法，结合离线MATLAB/Simulink仿真进行初步设计验证，以及附录A和B中所示的OPAL-RT实时硬件在环（HIL）测试进行实际应用验证。这种方法确保了所提出的控制策略在各种条件下都能表现出强大的性能

结果与分析

本节通过对第5节中定义的所有测试场景进行系统评估，对所提出的NSC-STSMC控制框架进行了全面实验验证。结果不仅展示了技术性能，还说明了其在自主微电网部署中的实际和经济意义。每一项性能改进都直接转化为实际利益，包括减少设备应力、延长组件寿命以及提高电能质量等

讨论

本节综合了第6节中呈现的实验发现，并将其置于自主微电网研究和可再生能源政策的更广泛背景下进行讨论。讨论了所提出的NSC-STSMC框架如何推动技术进步，并探讨了其在发展中国家的能源获取政策中的影响，同时指出了该方法发挥最佳性能的边界条件。

结论

本文提出了一种用于自主混合可再生能源系统的综合控制框架，该框架集成了微型水力、风能和太阳能发电，并通过创新的九开关转换器拓扑与电池储能系统相结合，该转换器由超扭转滑模控制进行控制。所提出的NSC-STSMC方法解决了在没有传统电网支持且负载变化和可再生能源不稳定的孤立微电网中保持电压和频率稳定的关键问题

CRediT作者贡献声明

赵彪阳：概念化、方法论、形式分析、研究、撰写——原始草稿、监督。阿卜杜勒·加法尔：数据整理、验证、资源管理、可视化、撰写——审阅与编辑。

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作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。