基于模糊控制的光伏發電雙FLC控制器設計

秦正林， 鄧運化， 寇宇峰

(1. 山東中實易通集團有限公司，山東 濟南 250000；2. 國網遼寧省電力有限公司 檢修分公司，遼寧 沈陽 110000)

0 引言

隨著我國經濟的持續中高速發展，用電負荷不斷增長。同時一次能源的日益短缺和全球性環境問題的日益暴露也給以火力發電為主體的能源消費模式帶來了巨大的挑戰[1-2]。光伏發電技術因其能源分布的廣泛性和發電過程中的零污染性而得到學術界的廣泛研究。

但光伏發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度對其發電功率有決定作用，因此光伏發電輸出因天氣的不確定性而具有隨機性，該隨機性給光伏并網運行帶來了挑戰。如何在光照不確定性的前提下，實現清潔能源的最大程度利用，已經成為了當前學者研究的熱門問題[3]。

關于光伏最大程度發電的控制研究，必須以對光伏電池板輸出特性的深入研究為基礎。文獻[4]對單硅晶光伏電池輸出特性進行了詳細介紹，并給出了不同光照強度下光伏電池板的輸出特性，即在光照強度確定的條件下，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。可通過對并網換流結構的控制，調節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。當調節光伏電池板的工作電壓，使其對應輸出功率為該光照強度下的曲線峰值時，此時的工作電壓即為最大功率點電壓。但隨著光照強度的變化，最大功率對應的電壓值也不同，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對應的電壓值，即能實現功率的最大輸出，該方法又被成為最大功率點追蹤法(Maximum Power Point Tracking，簡稱MPPT)[5]。

光伏發電的MPPT控制法因能實現新能源的最大可能出力而得到該領域學者的廣泛關注和研究。文獻[6]基于對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附近，稱為“固定電壓法”。但固定電壓法對最大功率點缺乏跟蹤性，因此不能很好地適用于光照強度頻繁改變的環境。文獻[7-9]設計控制器持續給系統以一定步長的較小擾動量，該擾動量可以是系統的工作電壓偏量、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，與前一步數值進行比較，決定后一步擾動的方向，稱為“擾動觀察法”，即當前應用最廣泛的MPPT控制策略。但該控制策略以擾動和方向判斷作為追蹤的基本手段，其穩態擾動不可消除，加之光照條件的變化引發輸出功率的瞬態變化，當DC/DC電路控制器和并網逆變器控制器設計不當時，易造成輸出電壓振蕩和功率大幅波動，為并網運行的穩定性帶來隱患[10]。當前光伏并網DC/DC電路和并網逆變器的控制主要采用結構簡單、成本低廉的PI控制器。該控制器的參數具有固定性，不能兼顧大擾動時的調節快速性和小擾動下的低超調要求，在光伏并網控制中存在一定的缺陷[11]。

本文對光伏MPPT控制策略進行展開研究，深入分析了光伏DC/DC電路和并網逆變器的控制結構，以模糊控制理論設計了FLC控制器，并用仿真比較了所設計的控制器與PI控制器的優劣，該研究將為光伏并網控制提供一定的參考價值。

1 MPPT控制原理

一般的光伏發電系統由光伏電池板、DC/DC電路及其控制系統、并網逆變器及其控制系統和直流濾波器、交流濾波器等附加器件組成，具有調度能力的光伏發電系統還應配備一定容量的儲能裝置。其中并網逆變器用于將光伏輸出的直流電轉換為工頻交流電，實現與大電網的并網運行；DC/DC電路用于將光伏輸出低直流電壓等級部分與逆變器的高直流電壓等級部分連接。

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，且隨著光照強度的變化，該曲線峰值也在發生偏移，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，即認為Ipv=Ipv(Upv)，已知功率計算公式為：

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為光伏實時輸出功率。對公式(1)進行求導可得：

(2)

“導納增量法”即是依據公式(2)中結論，判斷Ipv/Upv+ΔIpv/ΔUpv的符號的正負以判斷光伏直流工作電壓相對最大功率點電壓的方向，并使得直流工作電壓進一步向最大功率點方向擾動：符號為正，當前工作電壓小于最大功率點電壓，增加正向擾動；符號為負，當前工作電壓大于最大功率點電壓，施加反向擾動減小工作電壓值。

2 光伏并網控制結構

輸出端直流工作電壓的調節和擾動主要依靠DC/DC電路的調節，工作機制如圖2所示。

圖2 DC/DC電路

該升壓電路利用“穩態條件下，電感兩端的電壓在一個開關周期內平均值為0”的原則。電壓有如下關系式：

Upvton+(Upv-Ucov)toff=0

(3)

式中：Ucov為逆變器直流側電壓；ton和toff分別為觸發開關S周期內開通時間和關斷時間。由式(3)可進一步推導出電壓關系式：

(4)

式中：D=ton/(toff+ton)，為觸發開關S的占空比。

通過控制D即可實現對光伏輸出端電壓的控制，基于此，MPPT控制策略下DC/DC電路的控制系統設計如圖3所示[12]。

圖3 DC/DC電路的控制系統

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定，而當前光伏研究中的逆變站多采用具有開關全控性的電壓源換流器(Voltage Source Converter，VSC)，其控制結構通常采用電壓—電流雙環控制結構，外環用于追蹤目標直流電壓，內環用于保證電流控制的直接性和快速性，結構如圖4所示[13]。

圖4 逆變器控制系統

當前光伏發電并網的DC/DC電路和并網逆變器的控制主要采用PI控制器，該控制器因結構簡單，成本低廉等特點而被廣泛應用。但因為PI控制的局部收斂特性，導致其在光照波動和擾動追蹤方面響應能力有限。尤其是當光照發生較大躍變時，其控制表現出較大的超調量和較長的調節時間。PI控制器超調過大，易引起光伏并網設備在最大功率點附近的往復振蕩和直流電壓大幅波動，對光伏并網的穩定運行不利；而較長的調節時間，使得控制器不能快速跟蹤最大功率點，造成光伏出力的浪費，不利于新能源盡最大可能出力。

3 基于模糊控制的FLC控制器設計

模糊控制技術(Fuzzy Logic Control，FLC)因為不依賴于被控對象的精確建模工作，且控制參數可依照模糊隸屬關系而隨時變化，具有抗干擾性強和魯棒性能優越等特點，因而被廣泛應用于風力發電系統[14-15]。現依據模糊控制原理對光伏發電系統中圖3和圖4所示的控制器進行設計，使得所設計的模糊PI控制器根據所輸入的偏差及偏差變化率實時改變控制器的比例參數和積分參數，提高系統動態性能。FLC控制器包括“模糊化”、 “模糊推理”、 “模糊庫”、 “去模糊化”等結構，其基本設計步驟為：

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

(2)依照光伏并網系統的實際運行情況和經驗值確定模糊控制規則表，進行模糊庫建立；

(3)通過相關仿真，驗證控制器“去模糊”的響應效果。

以DC/DC電路的PI控制器為例進行FLC控制器設計，假設e元素論域為 [-100,100]，de元素論域為[-1000,1000],對應的模糊子集為：誤差e、誤差變化率de={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其元素分別代表{負大、負中、負小、零、正小、正中、正大}。本文選取高斯函數和三角函數相結合的隸屬度函數。當偏差大時用高斯函數，偏差不大時用三角函數。對于非線性、時變及難用精確傳遞函數描述的光伏并網系統，依據基本經驗，假設誤差和誤差變化率的隸屬函數相同，如圖5所示。

則所對應的模糊PI控制器中比例參數Kp和積分參數Ki的模糊規則如表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

deeNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNMNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB

表2 積分參數變化量ΔKi模糊規則表

(5)

式中：Kp0和Ki0分別為比例、積分增益初始值。

由以上設計得到FLC控制器，該控制器因具有靈活的參數調整主動權，對被控對象的建模精度要求不高，因此相較于傳統的固定參數PI控制器，擁有更為優越的控制性能。

將FLC控制器應用于DC/DC電路和逆變器控制結構，可實現以下控制目標：當誤差偏大時，系統進入暫態過程，控制器可以增大Kp減小Ki，從而使系統的動態響應更加敏感，快速消除誤差；當誤差較小時，系統需抵抗穩態干擾，控制器可以增大Ki減小Kp，提供系統的穩態性能，防止超調。

4 仿真驗證

利用MATLAB/SIMULINK搭建“光伏電池板— DC/DC電路—逆變器—大電網”的光伏并網系統。設計逆變器交流側電壓380 V，直流側電壓550 V，MPPT人為擾動量為0.05 V，逆變器控制采用圖4所示雙環結構；光伏電池用5×8個受控直流源代替，其控制信號為光照強度和溫度的邏輯函數，所設計的單光伏的輸出特性如圖2所示；現光照強度以一個G(s)+N(s)的信號源代替，以G(s)模擬長時間尺度光照波動(如天氣變化)，單位為kW/m2：

(6)

N(s)模擬短時間尺度光照波動，設計該函數為自0.3 s處觸發，步長為0.02 s，數值為[0.05，-0.03，0.01，0.07，-0.04，-0.02，-0.06，0.05，0，0.02]的數列，單位為kW/m2。

比較光照強度函數波動下，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，兩種控制器均能實現光伏并網的MPPT控制。但FLC控制器不僅可以實現快速調節，而且相比于傳統PI控制器擁有更好的控制表現：

(1)應用FLC控制器的光伏并網結構擁有更高的功率輸出值。這是因為相比于傳統PI控制器，FLC控制器對光照強度的變化更加敏感，能以更短的時間追蹤當前光照條件下的最大功率點，更快地實現當前光照強度下的最大功率輸出，因此具有更高的功率輸出量。

(2)應用FLC控制器的光伏并網結構擁有更平穩的直流電壓波形。首先，在DC/DC電路控制中，FLC控制器超調量衰減更快，減少了最大功率點追蹤過程中的電壓振蕩幅度，使得光伏輸出盡快達到新穩態；其次，在逆變器控制中，FLC控制器可以更加有效地維持電壓穩定，并抵抗了功率的波動對直流系統穩定性帶來的干擾，具有更強的控制能力。

仿真驗證了FLC控制器在逆變器電壓調節和DC/DC電路最大功率點追蹤方面的控制優越性。

5 結論

本文基于對光伏電池板輸出特性及光伏并網控制基本結構的深入研究，介紹了光伏并網的MPPT控制策略及該控制策略的實現途徑；并根據光伏發電對光照強度的依賴性和因之產生的功率波動性，指出當前PI控制器的缺陷；基于以上分析，本文根據模糊控制原理，設計了FLC控制器，該控制器因具有靈活的參數調整主動權，對被控對象的建模精度要求不高，因此相較于傳統的固定參數PI控制器，擁有更為優越的控制性能；將該控制器應用于逆變器電壓調節和DC/DC電路在最大功率點追蹤，仿真驗證了其相對于PI控制器的優越性。特別是在光照強度頻繁變化的工況下，光伏雙FLC控制可以得到更平穩的電壓波形和更高的功率輸出，有利于增強光伏的并網穩定性和實現新能源的最大可能出力。該控制器的設計將為光伏并網控制提供更為有利的手段，從更高層次看，該控制器的設計將為新能源發電與并網運行提供更多的技術參考。

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