秦正林， 鄧運(yùn)化， 寇宇峰

(1. 山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 檢修分公司，遼寧 沈陽 110000)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)中高速發(fā)展，用電負(fù)荷不斷增長。同時(shí)一次能源的日益短缺和全球性環(huán)境問題的日益暴露也給以火力發(fā)電為主體的能源消費(fèi)模式帶來了巨大的挑戰(zhàn)[1-2]。光伏發(fā)電技術(shù)因其能源分布的廣泛性和發(fā)電過程中的零污染性而得到學(xué)術(shù)界的廣泛研究。

但光伏發(fā)電因其能源屬性的不確定性而存在弊端，光伏電池板上所接受的光照強(qiáng)度對(duì)其發(fā)電功率有決定作用，因此光伏發(fā)電輸出因天氣的不確定性而具有隨機(jī)性，該隨機(jī)性給光伏并網(wǎng)運(yùn)行帶來了挑戰(zhàn)。如何在光照不確定性的前提下，實(shí)現(xiàn)清潔能源的最大程度利用，已經(jīng)成為了當(dāng)前學(xué)者研究的熱門問題[3]。

關(guān)于光伏最大程度發(fā)電的控制研究，必須以對(duì)光伏電池板輸出特性的深入研究為基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[4]對(duì)單硅晶光伏電池輸出特性進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并給出了不同光照強(qiáng)度下光伏電池板的輸出特性，即在光照強(qiáng)度確定的條件下，光伏電池板的有功功率—直流工作電壓曲線(Ppv-Upv曲線)是一條具有單峰值的曲線?？赏ㄟ^對(duì)并網(wǎng)換流結(jié)構(gòu)的控制，調(diào)節(jié)光伏電池板的出口工作電壓Upv，改變光伏電池板的輸出功率Ppv。當(dāng)調(diào)節(jié)光伏電池板的工作電壓，使其對(duì)應(yīng)輸出功率為該光照強(qiáng)度下的曲線峰值時(shí)，此時(shí)的工作電壓即為最大功率點(diǎn)電壓。但隨著光照強(qiáng)度的變化，最大功率對(duì)應(yīng)的電壓值也不同，通過控制策略使光伏電池板的出口工作電壓追蹤最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓值，即能實(shí)現(xiàn)功率的最大輸出，該方法又被成為最大功率點(diǎn)追蹤法(Maximum Power Point Tracking，簡稱MPPT)[5]。

光伏發(fā)電的MPPT控制法因能實(shí)現(xiàn)新能源的最大可能出力而得到該領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注和研究。文獻(xiàn)[6]基于對(duì)光伏電池板輸出特性的研究指出，不同光照條件下最大功率點(diǎn)電壓值變化不大，將電壓控制在該值，基本可以保證光伏輸出在最大功率點(diǎn)附近，稱為“固定電壓法”。但固定電壓法對(duì)最大功率點(diǎn)缺乏跟蹤性，因此不能很好地適用于光照強(qiáng)度頻繁改變的環(huán)境。文獻(xiàn)[7-9]設(shè)計(jì)控制器持續(xù)給系統(tǒng)以一定步長的較小擾動(dòng)量，該擾動(dòng)量可以是系統(tǒng)的工作電壓偏量、工作電流偏量或者占空比偏量，然后通過輸出功率反饋或電流電壓增量反饋，與前一步數(shù)值進(jìn)行比較，決定后一步擾動(dòng)的方向，稱為“擾動(dòng)觀察法”，即當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的MPPT控制策略。但該控制策略以擾動(dòng)和方向判斷作為追蹤的基本手段，其穩(wěn)態(tài)擾動(dòng)不可消除，加之光照條件的變化引發(fā)輸出功率的瞬態(tài)變化，當(dāng)DC/DC電路控制器和并網(wǎng)逆變器控制器設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)，易造成輸出電壓振蕩和功率大幅波動(dòng)，為并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性帶來隱患[10]。當(dāng)前光伏并網(wǎng)DC/DC電路和并網(wǎng)逆變器的控制主要采用結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的PI控制器。該控制器的參數(shù)具有固定性，不能兼顧大擾動(dòng)時(shí)的調(diào)節(jié)快速性和小擾動(dòng)下的低超調(diào)要求，在光伏并網(wǎng)控制中存在一定的缺陷[11]。

本文對(duì)光伏MPPT控制策略進(jìn)行展開研究，深入分析了光伏DC/DC電路和并網(wǎng)逆變器的控制結(jié)構(gòu)，以模糊控制理論設(shè)計(jì)了FLC控制器，并用仿真比較了所設(shè)計(jì)的控制器與PI控制器的優(yōu)劣，該研究將為光伏并網(wǎng)控制提供一定的參考價(jià)值。

1 MPPT控制原理

一般的光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池板、DC/DC電路及其控制系統(tǒng)、并網(wǎng)逆變器及其控制系統(tǒng)和直流濾波器、交流濾波器等附加器件組成，具有調(diào)度能力的光伏發(fā)電系統(tǒng)還應(yīng)配備一定容量的儲(chǔ)能裝置。其中并網(wǎng)逆變器用于將光伏輸出的直流電轉(zhuǎn)換為工頻交流電，實(shí)現(xiàn)與大電網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行；DC/DC電路用于將光伏輸出低直流電壓等級(jí)部分與逆變器的高直流電壓等級(jí)部分連接。

如前文所述，光伏電池輸出特性曲線是一條具有唯一最大值的近拋物線，且隨著光照強(qiáng)度的變化，該曲線峰值也在發(fā)生偏移，如圖1所示。

圖1 光伏電池板輸出特性

由圖1可知，在確定光照條件下，光伏輸出電流為出口工作電壓的函數(shù)，即認(rèn)為Ipv=Ipv(Upv)，已知功率計(jì)算公式為：

Ppv=Upv·Ipv(Upv)

(1)

式中：Ipv、Upv分別為為光伏電池板的輸出電流和輸出端直流工作電壓；Ppv為光伏實(shí)時(shí)輸出功率。對(duì)公式(1)進(jìn)行求導(dǎo)可得：

(2)

“導(dǎo)納增量法”即是依據(jù)公式(2)中結(jié)論，判斷Ipv/Upv+ΔIpv/ΔUpv的符號(hào)的正負(fù)以判斷光伏直流工作電壓相對(duì)最大功率點(diǎn)電壓的方向，并使得直流工作電壓進(jìn)一步向最大功率點(diǎn)方向擾動(dòng)：符號(hào)為正，當(dāng)前工作電壓小于最大功率點(diǎn)電壓，增加正向擾動(dòng)；符號(hào)為負(fù)，當(dāng)前工作電壓大于最大功率點(diǎn)電壓，施加反向擾動(dòng)減小工作電壓值。

2 光伏并網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)

輸出端直流工作電壓的調(diào)節(jié)和擾動(dòng)主要依靠DC/DC電路的調(diào)節(jié)，工作機(jī)制如圖2所示。

圖2 DC/DC電路

該升壓電路利用“穩(wěn)態(tài)條件下，電感兩端的電壓在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)平均值為0”的原則。電壓有如下關(guān)系式：

Upvton+(Upv-Ucov)toff=0

(3)

式中：Ucov為逆變器直流側(cè)電壓；ton和toff分別為觸發(fā)開關(guān)S周期內(nèi)開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間。由式(3)可進(jìn)一步推導(dǎo)出電壓關(guān)系式：

(4)

式中：D=ton/(toff+ton)，為觸發(fā)開關(guān)S的占空比。

通過控制D即可實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏輸出端電壓的控制，基于此，MPPT控制策略下DC/DC電路的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示[12]。

圖3 DC/DC電路的控制系統(tǒng)

逆變器作為直流與交流的換流裝置，需保證直流端電壓的穩(wěn)定，而當(dāng)前光伏研究中的逆變站多采用具有開關(guān)全控性的電壓源換流器(Voltage Source Converter，VSC)，其控制結(jié)構(gòu)通常采用電壓—電流雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)用于追蹤目標(biāo)直流電壓，內(nèi)環(huán)用于保證電流控制的直接性和快速性，結(jié)構(gòu)如圖4所示[13]。

圖4 逆變器控制系統(tǒng)

當(dāng)前光伏發(fā)電并網(wǎng)的DC/DC電路和并網(wǎng)逆變器的控制主要采用PI控制器，該控制器因結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。但因?yàn)镻I控制的局部收斂特性，導(dǎo)致其在光照波動(dòng)和擾動(dòng)追蹤方面響應(yīng)能力有限。尤其是當(dāng)光照發(fā)生較大躍變時(shí)，其控制表現(xiàn)出較大的超調(diào)量和較長的調(diào)節(jié)時(shí)間。PI控制器超調(diào)過大，易引起光伏并網(wǎng)設(shè)備在最大功率點(diǎn)附近的往復(fù)振蕩和直流電壓大幅波動(dòng)，對(duì)光伏并網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行不利；而較長的調(diào)節(jié)時(shí)間，使得控制器不能快速跟蹤最大功率點(diǎn)，造成光伏出力的浪費(fèi)，不利于新能源盡最大可能出力。

3 基于模糊控制的FLC控制器設(shè)計(jì)

模糊控制技術(shù)(Fuzzy Logic Control，F(xiàn)LC)因?yàn)椴灰蕾囉诒豢貙?duì)象的精確建模工作，且控制參數(shù)可依照模糊隸屬關(guān)系而隨時(shí)變化，具有抗干擾性強(qiáng)和魯棒性能優(yōu)越等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[14-15]。現(xiàn)依據(jù)模糊控制原理對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中圖3和圖4所示的控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得所設(shè)計(jì)的模糊PI控制器根據(jù)所輸入的偏差及偏差變化率實(shí)時(shí)改變控制器的比例參數(shù)和積分參數(shù)，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。FLC控制器包括“模糊化”、 “模糊推理”、 “模糊庫”、 “去模糊化”等結(jié)構(gòu)，其基本設(shè)計(jì)步驟為：

(1)確定模糊變量的賦值表，確定論域內(nèi)元素(誤差e，誤差變化率de)對(duì)模糊語言變量的隸屬度；

(2)依照光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況和經(jīng)驗(yàn)值確定模糊控制規(guī)則表，進(jìn)行模糊庫建立；

(3)通過相關(guān)仿真，驗(yàn)證控制器“去模糊”的響應(yīng)效果。

以DC/DC電路的PI控制器為例進(jìn)行FLC控制器設(shè)計(jì)，假設(shè)e元素論域?yàn)?[-100,100]，de元素論域?yàn)閇-1000,1000],對(duì)應(yīng)的模糊子集為：誤差e、誤差變化率de={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其元素分別代表{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大}。本文選取高斯函數(shù)和三角函數(shù)相結(jié)合的隸屬度函數(shù)。當(dāng)偏差大時(shí)用高斯函數(shù)，偏差不大時(shí)用三角函數(shù)。對(duì)于非線性、時(shí)變及難用精確傳遞函數(shù)描述的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，依據(jù)基本經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)誤差和誤差變化率的隸屬函數(shù)相同，如圖5所示。

則所對(duì)應(yīng)的模糊PI控制器中比例參數(shù)Kp和積分參數(shù)Ki的模糊規(guī)則如表1和表2所示。

模糊推理選用Mardani型，整理可得FLC控制器的比例、積分增益分別為：

圖5 誤差隸屬函數(shù)

deeNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNMNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB

表2 積分參數(shù)變化量ΔKi模糊規(guī)則表

(5)

式中：Kp0和Ki0分別為比例、積分增益初始值。

由以上設(shè)計(jì)得到FLC控制器，該控制器因具有靈活的參數(shù)調(diào)整主動(dòng)權(quán)，對(duì)被控對(duì)象的建模精度要求不高，因此相較于傳統(tǒng)的固定參數(shù)PI控制器，擁有更為優(yōu)越的控制性能。

將FLC控制器應(yīng)用于DC/DC電路和逆變器控制結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)以下控制目標(biāo)：當(dāng)誤差偏大時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入暫態(tài)過程，控制器可以增大Kp減小Ki，從而使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更加敏感，快速消除誤差；當(dāng)誤差較小時(shí)，系統(tǒng)需抵抗穩(wěn)態(tài)干擾，控制器可以增大Ki減小Kp，提供系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，防止超調(diào)。

4 仿真驗(yàn)證

利用MATLAB/SIMULINK搭建“光伏電池板— DC/DC電路—逆變器—大電網(wǎng)”的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)逆變器交流側(cè)電壓380 V，直流側(cè)電壓550 V，MPPT人為擾動(dòng)量為0.05 V，逆變器控制采用圖4所示雙環(huán)結(jié)構(gòu)；光伏電池用5×8個(gè)受控直流源代替，其控制信號(hào)為光照強(qiáng)度和溫度的邏輯函數(shù)，所設(shè)計(jì)的單光伏的輸出特性如圖2所示；現(xiàn)光照強(qiáng)度以一個(gè)G(s)+N(s)的信號(hào)源代替，以G(s)模擬長時(shí)間尺度光照波動(dòng)(如天氣變化)，單位為kW/m2：

(6)

N(s)模擬短時(shí)間尺度光照波動(dòng)，設(shè)計(jì)該函數(shù)為自0.3 s處觸發(fā)，步長為0.02 s，數(shù)值為[0.05，-0.03，0.01，0.07，-0.04，-0.02，-0.06，0.05，0，0.02]的數(shù)列，單位為kW/m2。

比較光照強(qiáng)度函數(shù)波動(dòng)下，PI控制器控制下和FLC控制器控制下光伏輸出功率和逆變器直流端電壓的波形，如圖6所示。

圖6 兩種控制器下的光伏輸出

由圖6可知，兩種控制器均能實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)的MPPT控制。但FLC控制器不僅可以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)，而且相比于傳統(tǒng)PI控制器擁有更好的控制表現(xiàn)：

(1)應(yīng)用FLC控制器的光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)擁有更高的功率輸出值。這是因?yàn)橄啾扔趥鹘y(tǒng)PI控制器，F(xiàn)LC控制器對(duì)光照強(qiáng)度的變化更加敏感，能以更短的時(shí)間追蹤當(dāng)前光照條件下的最大功率點(diǎn)，更快地實(shí)現(xiàn)當(dāng)前光照強(qiáng)度下的最大功率輸出，因此具有更高的功率輸出量。

(2)應(yīng)用FLC控制器的光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)擁有更平穩(wěn)的直流電壓波形。首先，在DC/DC電路控制中，F(xiàn)LC控制器超調(diào)量衰減更快，減少了最大功率點(diǎn)追蹤過程中的電壓振蕩幅度，使得光伏輸出盡快達(dá)到新穩(wěn)態(tài)；其次，在逆變器控制中，F(xiàn)LC控制器可以更加有效地維持電壓穩(wěn)定，并抵抗了功率的波動(dòng)對(duì)直流系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來的干擾，具有更強(qiáng)的控制能力。

仿真驗(yàn)證了FLC控制器在逆變器電壓調(diào)節(jié)和DC/DC電路最大功率點(diǎn)追蹤方面的控制優(yōu)越性。

5 結(jié)論

本文基于對(duì)光伏電池板輸出特性及光伏并網(wǎng)控制基本結(jié)構(gòu)的深入研究，介紹了光伏并網(wǎng)的MPPT控制策略及該控制策略的實(shí)現(xiàn)途徑；并根據(jù)光伏發(fā)電對(duì)光照強(qiáng)度的依賴性和因之產(chǎn)生的功率波動(dòng)性，指出當(dāng)前PI控制器的缺陷；基于以上分析，本文根據(jù)模糊控制原理，設(shè)計(jì)了FLC控制器，該控制器因具有靈活的參數(shù)調(diào)整主動(dòng)權(quán)，對(duì)被控對(duì)象的建模精度要求不高，因此相較于傳統(tǒng)的固定參數(shù)PI控制器，擁有更為優(yōu)越的控制性能；將該控制器應(yīng)用于逆變器電壓調(diào)節(jié)和DC/DC電路在最大功率點(diǎn)追蹤，仿真驗(yàn)證了其相對(duì)于PI控制器的優(yōu)越性。特別是在光照強(qiáng)度頻繁變化的工況下，光伏雙FLC控制可以得到更平穩(wěn)的電壓波形和更高的功率輸出，有利于增強(qiáng)光伏的并網(wǎng)穩(wěn)定性和實(shí)現(xiàn)新能源的最大可能出力。該控制器的設(shè)計(jì)將為光伏并網(wǎng)控制提供更為有利的手段，從更高層次看，該控制器的設(shè)計(jì)將為新能源發(fā)電與并網(wǎng)運(yùn)行提供更多的技術(shù)參考。

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