智能模糊PID控制在離網風光互補發電系統中應用研究

王育欣，殷孝雎

WANG Yu-xin1,2，YIN Xiao-ju3

（1.“特種電機與高壓電器”部、省共建重點實驗室 沈陽工業大學，沈陽 110004；2. 沈陽廣播電視大學 理工學院，沈陽 110003；3. 遼寧太陽能研究應用有限公司，沈陽 110136）

0 引言

在能源短缺和環境污染問題日益嚴重的今天，風光能源作為取之不盡的綠色能源，成為傳統能源的重要補充，因此，風光互補發電具有廣闊的應用領域和發展前景。根據特定環境的負載條件和負載參數特征進行合理的容量配置可以大幅度節約系統的成本，提高系統效率。在獨立風光互補發電系統中，蓄電池作為能量儲存部分不可忽視，蓄電池組一次性設備投資是高比例的，同時，它也是整個系統中不穩定的環節，由于從風力發電機和太陽能電池板獲得的電能有明顯的波動，對蓄電池的充電和放電管理直接影響著發電系統的電能質量。這對電能的管理系統提出了更高的要求，因此，關于蓄電池的能源管理研究有著更多的理論和實踐意義。

傳統的控制理論控制性能不是很理想，本文提出了結合傳統PID控制和模糊控制兩種思想解決蓄電池管理問題，給出了風力發電機、光伏陣列和蓄電池組等仿真模型，最后通過模糊控制系統仿真研究對比了仿真結果。

1 系統組成

獨立風光互補發電系統由渦輪發電機、智能控制器、儲能蓄電池、DC-DC斬波器和AC-DC整流器等組成，如圖1所示。風機發電將風能轉換成電能，經三相全橋整流電路AC-DC整流器整流，輸出后經系統控制器可對蓄電池進行儲能；蓄電池具有對電能儲存和調整作用；當發出電能過剩時，輸入至蓄電池儲能；當發出電能不足或能量消耗增加時，負載能量由蓄電池放電獲得，從而使電源電壓穩定。模糊智能控制器使用切換開關來調整蓄電池的工作狀態，使蓄電池交替地工作在充電、放電、浮沖狀態，保障發電系統的穩定性和連續性，系統最終通過PWM控制將發電輸出電量供給用戶負載。

圖1 風光互補發電系統結構圖

2 系統模型

2.1 風力發電機模型

根據空氣動力學原理，風機輸出能量特征如公式（1）所示，其中CP為風能利用系數，r為空氣密度，1.25k/m3，v為風速，R為風機葉片半徑；風機葉尖速比可由公式（2）求得，其中w為葉片旋轉角速度；風力機輸出轉矩可用公式（3）表示，其中CT(l,b)為轉矩系數，用公式（4）表示，其中擬合函數CP(l,b)由公式（5）獲得，其中C1，…，C6為待定系數，可根據風機特征確定。

2.2 光伏電池模型

單個光伏電池的等效電路如圖2所示，它由穩定產生光電流的電流源、內部并聯電阻、串聯電阻等組成。從圖2中可以看出光伏單元特征表達式用如下方程表示：

其中Is和Vs分別是光伏電池單元的輸出電流和輸出電壓，Isc是短路電流，Io為光伏電池內部等效二極管PN結反向飽和電流，q為電子電荷，1.6×10-19C；K為波爾茲曼常量，0.86×10-4Ev/K，A為P-N結理想因子（1－5），T為熱力學溫度，Rs和Rsh分別為內部串聯電阻和并聯電阻；反相飽和電流Io隨溫度而變化，見式（8）、式（9），其中CD為擴散電容，Etp為光照強度，單位為mW/cm2。

2.3 蓄電池模型

為使系統模型簡化，這里采用了蓄電池戴維寧等效模型，如圖3所示，其中包括電壓源Us、蓄電池內阻、并聯極板間的等效電容C和等效電阻R，這些參數為常數，構成了蓄電池的近似模型。

3 模糊PID控制

3.1 控制方式

圖2 光伏電池單元等效電路

圖3 蓄電池戴維寧等效電路

該獨立風光互補發電系統的蓄電池充放電采用雙閉環控制，內環為充電電流環，采用PI控制；外環為充電電壓環。整個系統的關鍵是模糊PID控制器，模糊控制與PID控制分別由開關切換實現，在充電初期，采用PID控制進行大電流快速充電，當達到80%至90%電池容量時，采用模糊控制模式充電，保持充電電壓恒定，控制系統框圖如圖4所示。

圖4 控制系統框圖

3.2 模糊控制設計

控制器模糊變量包括輸入變量e、ec和輸出U，e為蓄電池采樣電壓與參考值偏差，取值范圍定義如下：

模糊子集為：

控制規則列表見表1。

在Matlab/Simulink 模糊邏輯工具箱中輸入變量e、ec 和輸出變量U的論域、模糊語言變量和模糊規則，并將模糊推理系統設置為Mamdani型，變量e、ec、U的隸屬度函數如圖5所示。

4 仿真結果

通過求解前面提出的方程，得到了一系列仿真結果，其中風力發電機的額定功率為300W，俯仰角為0，額定風速為12 m/s，風機輸出整流前電壓和整流后電壓如圖6所示；單個光伏電池仿真結果如圖7所示，圖7是在光強為100 ，大氣溫度為25 時的仿真模型。光伏電池仿真參數見表2。

表1 模糊控制規則

圖5 變量e、ec、U的隸屬度函數

圖6 風機輸出整流前與整流后電壓

圖7 單個光伏單元仿真I-U 特征曲線

表2 光伏電池模型參數

圖9為蓄電池充放電某一時刻的MOSFET開關管控制脈沖。開關管響應可清晰表明蓄電池充放電特征。控制MOSFET的通斷，實現風力和太陽能支路的通斷來對蓄電池進行充電管理，仿真結果證明采用模糊-PID控制能有效地改善系統的動態性能。

圖8 控制系統輸出脈沖

5 仿真結果

仿真結果表明模糊PID控制在風光互補發電系統蓄電池能量管理上具有較好的控制效果。這種控制方法可以應用于其它分布式發電系統中，具有一定的實用性。因為蓄電池模型是很復雜的，本文僅僅提出了一種近似模型，如對蓄電池模型進一步改進，仿真結果將更加理想。

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