基于模糊控制的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)研究

王建寶 南海鵬 余向陽(yáng) 吳羅長(zhǎng) 陳亞娟

（西安理工大學(xué)，西安 710048）

基于模糊控制的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)研究

王建寶 南海鵬 余向陽(yáng) 吳羅長(zhǎng) 陳亞娟

（西安理工大學(xué)，西安 710048）

本文設(shè)計(jì)了一種基于模糊控制的光伏陣列最大功率跟蹤（MPPT）控制策略及基于模糊—PI電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)并網(wǎng)逆變控制方法。對(duì)模糊控制器選擇了適當(dāng)?shù)哪：?guī)則和合適的比例量化因子，并且對(duì)PI比例調(diào)節(jié)器選擇了合適的比例積分因子。仿真結(jié)果表明，相對(duì)于電導(dǎo)增量法及干擾法，基于模糊控制策略的光伏最大功率跟蹤系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能；基于模糊—PI電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)并網(wǎng)逆變控制方法，實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)，大大提高了控制精度及動(dòng)態(tài)性能。

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；最大功率跟蹤控制； 模糊控制；逆變器

1 引言

外界環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度的變化都會(huì)導(dǎo)致光伏電池輸出特性發(fā)生較大的變化。因此，有必要采用最大功率跟蹤控制技術(shù)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制，使其工作在最佳狀態(tài)，目前常用的跟蹤方法為恒電壓法，干擾法、電導(dǎo)增量法。恒電壓法適合于外界環(huán)境變化小的場(chǎng)合；干擾法在最大功率點(diǎn)附近波動(dòng)，造成功率的損失；電導(dǎo)增量法步長(zhǎng)變化難以確定，使的功率誤差范圍較大。基于以上情況本文使用模糊控制法進(jìn)行最大功率跟蹤控制，該方法響應(yīng)快、受外界影響小且在最大功率點(diǎn)附近波動(dòng)較小[1]。

在目前的研究和實(shí)際應(yīng)用中，國(guó)內(nèi)外對(duì)并網(wǎng)逆變器內(nèi)環(huán)控制方案普遍選擇直接的電流負(fù)反饋控制，常見(jiàn)的控制方案主要包含兩種方式：電流滯環(huán)控制和電流PI控制。對(duì)于電流滯環(huán)控制法由于滯環(huán)寬度一般被設(shè)計(jì)為固定值，造成一個(gè)周波中開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率卻是變化的，這將導(dǎo)致電流頻譜較寬，增加了濾波器等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)難度。采用模糊-PI電流環(huán)，通過(guò)在線實(shí)時(shí)調(diào)整PI參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制。

2 模糊控制的基本原理

模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制[2]。將誤差信號(hào)E作為模糊控制的一個(gè)輸入量，經(jīng)過(guò)模糊化變?yōu)槟：浚鶕?jù)模糊量及模糊控制規(guī)則，計(jì)算控制模糊量，解模糊得到控制精確量。

2.1 最大功率跟蹤控制模糊控制器設(shè)計(jì)

（1）模糊控制器的輸入量、輸出量及模糊子集和論域

取光伏發(fā)電系統(tǒng)的第n時(shí)刻輸出功率變化量和第 n-1時(shí)刻占空比步長(zhǎng)作為模糊控制器輸入 E和Ec；第n時(shí)刻占空比步長(zhǎng)作為模糊控制器輸出△d。將模糊語(yǔ)言變量E和A分別定義為8個(gè)和6個(gè)模糊子集[3]，即

其中，NB、NM、NS、NO、PO、PS、PM、PB分別表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、負(fù)零、正零、正小、正中，正大等模糊概念。

（2）隸屬度函數(shù)和模糊決策表

根據(jù)光伏系統(tǒng)輸出功率P和占空比D之間的曲線，若上一時(shí)刻占空比D(n)的變化導(dǎo)致P(n)上升，則保持占空比向同方向變化，否則取相反的方向。用模糊規(guī)則表示即為IF A AND B THEN C，最后生成模糊規(guī)則表1。

表1 Δd的模糊規(guī)則表

本文采用三角形作為隸屬度函數(shù)的現(xiàn)狀，圖1、2為功率變化量E和占空比步長(zhǎng)Ec的隸屬度函數(shù)。

圖1 功率誤差隸屬度函數(shù)

圖2 占空比誤差隸屬度函數(shù)

2.2 模糊自適應(yīng)PI控制器設(shè)計(jì)

PI控制器以其精度高，計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于過(guò)程控制，但PI控制存在對(duì)控制對(duì)象的依賴性，參數(shù)修改不方便。本文提出模糊-PI控制器如圖3所示，通過(guò)在線調(diào)整 Kp，Ki參數(shù)，使其變?yōu)樽赃m應(yīng)模糊-PI自適應(yīng)調(diào)節(jié)器，提高了控制精度及控制器的動(dòng)態(tài)性能。

圖3 模糊-PI控制器結(jié)構(gòu)圖

（1）模糊控制器的輸入量、輸出量及模糊子集和論域

取電流誤差 E和電流誤差的變化Ec作為模糊控制器的輸入，輸出量為PI控制器Kp及Ki的變化值(△Kp，△Ki)。將E，Ec，△Kp，△Ki分別定義為五個(gè)模糊子集，即

其中，NB、NS、ZO、PS、PB分別表示負(fù)大、負(fù)小、零、正小、正大等模糊概念。

（2）隸屬度函數(shù)和模糊決策表

當(dāng)E的絕對(duì)值較大時(shí)，為了有良好的跟著性能，取較大Kp；同時(shí)為避免超調(diào)現(xiàn)象，應(yīng)對(duì)Ki進(jìn)行限制，通常取0；當(dāng)E絕對(duì)值較小時(shí)，為了使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，取較大Kp和Ki；當(dāng)E絕對(duì)值適當(dāng)時(shí)，為使有較小超調(diào)，Kp應(yīng)小點(diǎn)，Ki的值適當(dāng)[4]。最后生成模糊規(guī)則如表2和表3所示。

表2 ΔKp的模糊規(guī)則表

表3 ΔKi的模糊規(guī)則表

本文采用高斯函數(shù)作為隸屬度函數(shù)的現(xiàn)狀，圖4為隸屬度函數(shù)曲線。

圖4 輸入輸出量隸屬度函數(shù)

2.3 解模糊

將上述推理得到的模糊量轉(zhuǎn)化成清晰量。通常解模糊有最大隸屬度法、重心法、中位數(shù)法和權(quán)重法。本文采用重心法，其計(jì)算表達(dá)式如下

式中，μ（ui）是第i個(gè)模糊輸出量的隸屬度，ui為第i個(gè)模糊輸出量。n為所定義的模糊輸出量的個(gè)數(shù)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 最大功率跟蹤（MPPT）控制

利用Matlab2008b對(duì)基于模糊控制的最大功率跟蹤進(jìn)行仿真研究。仿真條件：光伏開(kāi)路電壓320V，短路電流 10.65A，光強(qiáng)在 1s時(shí)由 1000w/s陡增到為1500w/s。仿真結(jié)果如圖5所示。與電導(dǎo)增量法相比[5]，采樣模糊控制方法，可以迅速的隨光強(qiáng)的變化跟蹤到新的最大功率點(diǎn)，且在最大功率附近振蕩較小。

圖5 基于模糊控制功率輸出

3.2 并網(wǎng)逆變控制

電壓電流雙環(huán)瞬時(shí)值控制法[6]，由于其輸出電壓波形質(zhì)量好、控制簡(jiǎn)單及動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于逆變控制。仿真結(jié)果如圖6，并網(wǎng)電壓和逆變器輸出電壓都達(dá)到了峰值電壓311V、頻率50Hz的要求，且逆變器輸出的電壓、電流，基本上可以實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)電壓幅值和相位的跟蹤，保持了功率因數(shù)基本為1。與一般雙閉環(huán)控制相比較，采樣模糊-PI電流內(nèi)環(huán)控制法在電壓電流峰值時(shí)輸出波形保持了很好的正弦度及紋波含量較少，完全達(dá)到并網(wǎng)的要求。

圖6 基于模糊-PI光伏并網(wǎng)圖

4 結(jié)論

本文基于模糊控制對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，采用模糊控制跟蹤最大功率，光伏系統(tǒng)可以高效的跟蹤到最大功率點(diǎn)，且在外界光強(qiáng)發(fā)生陡變時(shí)也可以快捷找到新的最大功率點(diǎn)，在最大功率點(diǎn)附近振蕩較小；采用電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)且內(nèi)環(huán)采用模糊-PI控制法，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地跟蹤電網(wǎng)電壓特性，波形正常，紋波較小，功率因素為 1，能夠圓滿地達(dá)到并網(wǎng)要求。

[1] Subiy anto,A Mohamed,M A Hannan．Maximum Power Point Tracking in Grid Connected PV System Using A Novel Fuzzy Logic Controller[A].Proceedings of 2009IEEE Student Conference on Research and Development (SCOReD 2009)[C].2009:349．

[2] 李士勇.模糊控制·神經(jīng)控制和智能控制論[M]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2006.

[3] 喬興宏,吳必軍等. 基于模糊控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT[J]. 可再生能源,2008,26(5):15-16.

[4] 鄒麗爽.逆變器數(shù)控算法的研究與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2009.

[5] 葉滿園,官二勇,宋平崗. 以電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)MPPT的單級(jí)光伏并網(wǎng)逆變器[J].電力電子技術(shù),2006,40(2):31-32．

[6] 王小雪.光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真研究[D].天津:河北工業(yè)大學(xué),2008.

The Research of Photovoltaic System Grid-connected System Based on Fuzzy Control

Wang Jianbao Nan Haipeng Yu Xiangyang Wu Luochang Chen Yajuan
（Xi’an University of Technology, Xi’an 710048）

Based on fuzzy control, this paper designed maximum power point tracking (MPPT)control strategy and double closed-loop control of the Fuzzy-PI control method which is in the current loop. The proper fuzzy rules and proportion quantification factors were chosen in fuzzy controller. In addition, proportional and integral factors were selected in PI regulator. Simulation results show that,compared with incremental conductance approach and interference method，photovoltaic maximum power point tracking system based on fuzzy control has good dynamic and static performance.Meanwhile, by adopting closed-loop control of the Fuzzy-PI control method which is in the current loop, the grid-connected was realized and the control accuracy and dynamic performance were greatly improved.

photovoltaic grid-connected system；MPPT；fuzzy control；invert

王建寶（1985-），男，山西朔州人，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)及電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制。