基于模糊PI控制的光伏并網系統電能質量提升研究

摘要：提出了一種基于模糊PI技術的三相并網光伏系統，該方法保證在輻照度變化的情況下仍能獲得高質量的總諧波失真（Total Harmonic Distortion，THD），并在保證功率因數統一的前提下提取最大功率。首先介紹了整個系統;在此基礎上，設計了d-q同步參照系下的FLC-PI控制器，并采用模糊規則在線調整PI控制器參數;最后，通過Matlab/Simulink進行了試驗驗證。結果表明，所提控制方法在參考值跟蹤和單位功率因數方面具有較好的性能;此外，諧波分析和總諧波失真結果表明，采用模糊PI控制可以提高注入電網的電能質量。

關鍵詞：光伏系統;模糊PI控制器;THD

中圖分類號：TM921.51" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）15-0019-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.15.005

0" " 引言

為避免因開采化石燃料而引起的環境問題，如今可再生能源在電力供給方面的占比越來越高。光伏是一種可再生的清潔能源，具有能量效率高、易于開發和控制等優點。關于光伏系統如何實現高效能利用，已有諸多學者對其控制理論和技術進行了研究。其中研究最為廣泛的是比例積分控制器、比例諧振控制、電流滯環控制以及基于人工神經網絡、反演控制、數字重復控制和下垂控制等的控制策略[1-3]。然而，這些技術設計復雜，需要對系統參數有很好的了解和把控，以此來獲得良好的動態響應和高質量的THD。

傳統的PI控制器由于結構簡單、易控制，在光伏系統控制中有很好的表現。然而，這種控制器的主要缺點是對參數和外界干擾太敏感。光伏系統在一天中具有間歇性和高變異性特點，因此，隨著工作點的變化，控制器的性能可能會變差。為了克服這一缺點，保證更好地實現參考值跟蹤和高電能質量，本文提出了基于比例積分控制器（PI）與模糊邏輯的聯合控制。

1" " 光伏并網發電系統數學模型

太陽能電池是一個P-N結，它直接將光能轉化為電能[4]。光伏電池被分組成更大的單元，稱為光伏模塊，這些模塊進一步以串并聯結構相互連接形成光伏陣列或光伏發電機，光伏陣列數學模型可表示為：

4" " 仿真試驗

為了評估所提出的模糊PI控制器的性能，在溫度為25 ℃天氣條件下，通過改變太陽輻照度的大小，對使用PI控制器和模糊PI控制器的兩種情況進行了仿真對比研究。在0.2 s時刻，太陽輻照度由1 000 W/m2降低到600 W/m2，并在0.6 s時刻重新上升到1 000 W/m2。試驗波形如圖5所示。

從圖5可以看出，盡管太陽輻照度變化，直流母線電壓仍然很好地跟蹤了參考值變化。傳統PI控制方法在發生階躍響應后有明顯的超調，其響應比模糊PI控制器要慢，也說明了所提模糊PI控制具有很好的動穩態性能。從電壓電流波形也可看出，注入電網的電流與電源電壓是同相的，均為正弦波波形，說明該控制方法下具有很高的功率因數。關于太陽輻照度對THD的影響，從THD對比圖可以看出，采用模糊PI控制器后，當前THD較PI控制器有明顯降低。

5" " 結論

為提高光伏并網逆變器的電能質量，本文提出了一種模糊PI控制器。通過采用模糊控制方法，對控制器參數進行在線調節，從而提升光伏并網系統動穩態性能。仿真結果表明，模糊PI控制方法可以確保系統有功功率和無功功率的快速準確跟蹤，同時對于太陽輻照變化具有較好的魯棒性和較低的諧波畸變率。

[參考文獻]

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[5] 陳煒，肖丹，王慧敏，等.雙饋風力發電系統空載并網模糊PI控制[J].太陽能學報，2009，30（6）：794-798.

收稿日期：2023-04-10

作者簡介：任翔宇（1989—），男，甘肅人，助理工程師，研究方向：高低壓電器產品試驗。

通信作者：裴旭東（1990—），男，甘肅人，高級工程師，研究方向：發輸變電工程及高電壓技術。