基于模糊算法的風(fēng)電儲能系統(tǒng)的優(yōu)化控制

張 坤 吳建東 毛承雄 陸繼明 王 丹 黃 輝

（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 武漢 430074）

1 引言

風(fēng)電系統(tǒng)由于風(fēng)速、風(fēng)向等自然條件的變化而不能持續(xù)地、穩(wěn)定地輸出電能，這會對電網(wǎng)的電能質(zhì)量及其穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響[1-4]。因而，在系統(tǒng)中配置一定容量的儲能裝置將起到平抑功率波動、維持發(fā)電/負(fù)荷動態(tài)平衡、保持電壓/頻率穩(wěn)定的作用，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、高效、優(yōu)質(zhì)地運(yùn)行[5-8]。

就儲能系統(tǒng)的技術(shù)性能而言，其容量配置得越大，對風(fēng)電機(jī)組功率波動的平滑效果就會越好，但這也同時(shí)增加了系統(tǒng)的投資成本，不能很好地滿足經(jīng)濟(jì)性要求。因此，對于一定容量的儲能系統(tǒng)，如何通過對其自身的優(yōu)化控制，來提高儲能系統(tǒng)在風(fēng)電系統(tǒng)中的技術(shù)性能，已成為目前迫切需要解決的問題。文獻(xiàn)[7,8]在關(guān)于平滑風(fēng)電功率波動的儲能系統(tǒng)的優(yōu)化控制方面已經(jīng)取得了一定的研究成果。其中，文獻(xiàn)[7]通過實(shí)時(shí)檢測儲能裝置的荷電狀態(tài)，相應(yīng)地對并網(wǎng)功率參考值放大或縮小一定的倍數(shù)，以此來達(dá)到對儲能裝置荷電狀態(tài)的控制。文獻(xiàn)[8]通過加入一個(gè)反饋補(bǔ)償量的方式來修正儲能裝置充放電功率的大小，從而能夠有效地控制儲能裝置的荷電狀態(tài)，避免出現(xiàn)過度充電或深度放電的狀況發(fā)生。

本文以基于超級電容器的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，通過實(shí)時(shí)檢測超級電容器組的荷電狀態(tài)SOC及其充放電狀態(tài)，并將超級電容器組實(shí)時(shí)檢測到的荷電狀態(tài)與其參考值SOCref的偏差ΔSOC以及超級電容器組此時(shí)的充放電狀態(tài)作為模糊控制器的輸入，根據(jù)其偏差程度和充放電狀態(tài)利用模糊規(guī)則來實(shí)時(shí)動態(tài)調(diào)節(jié)濾波時(shí)間常數(shù)T的大小，從而能夠?qū)崟r(shí)控制風(fēng)電并網(wǎng)功率指令值，以達(dá)到實(shí)時(shí)動態(tài)調(diào)節(jié)超級電容器組充放電功率大小的目的，使超級電容器組能夠避免出現(xiàn)過度充電或深度放電的狀況，并向著適中的荷電狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

2 基于儲能的直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)的工作原理

圖1是本文采用的基于超級電容器的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電機(jī)側(cè)變換器由三相不可控整流橋、濾波電容和Boost變換器構(gòu)成，用于控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功輸出；電網(wǎng)側(cè)變換器通過調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)的d軸和q軸電流，控制其直流側(cè)電壓和流向電網(wǎng)的無功功率，實(shí)現(xiàn)有功和無功的解耦控制，通常運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)。電網(wǎng)側(cè)變換器的直流側(cè)并入儲能系統(tǒng)，該系統(tǒng)由超級電容器組以及雙向DC-DC變換器等構(gòu)成，用于控制風(fēng)電系統(tǒng)的有功輸出。

圖1 基于超級電容器的永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)Fig.1 Directly-driven wind power system using permanent synchronous generator based on ultra-capacitors

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率高于系統(tǒng)輸出功率參考值時(shí)，即PG＞Pref，把多余的能量存儲在儲能設(shè)備中；當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出功率低于系統(tǒng)輸出功率參考值時(shí)，即PG＜Pref，可把儲能設(shè)備中存儲的能量釋放出來為電網(wǎng)提供功率支撐。通過這種方式將能夠有效地平滑風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動，使風(fēng)電系統(tǒng)輸出較為平滑的有功功率。

2.2 系統(tǒng)變換器的控制策略

圖2 基于超級電容器的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中變換器的控制框圖Fig.2 Block diagram of converters in directly-driven wind generation system based on ultra-capacitors

電機(jī)側(cè)Boost變換器的控制框圖如圖2所示。圖中，通過調(diào)節(jié)Boost變換器的功率參考值以實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大功率跟蹤[9]，與風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率PG進(jìn)行比較通過功率調(diào)節(jié)器得到Boost變換器的調(diào)制電流參考值，與升壓斬波器輸入電流i0進(jìn)行比較再通過電流調(diào)節(jié)器得到升壓斬波器占空比d0的反饋控制量，以達(dá)到電流對其參考值的快速跟蹤，作為占空比d0的前饋控制量，可以抑制升壓斬波器兩端的電壓波動給電流控制帶來的干擾[10]。

連接超級電容器組的雙向DC-DC變換器的控制原理如圖2所示。圖中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率PG經(jīng)一階低通濾波器（時(shí)間常數(shù)T可變）得到并網(wǎng)功率參考值Pref，一階低通濾波器的可變時(shí)間常數(shù)T由超級電容器組的荷電狀態(tài)SOC與其參考值SOCref的偏差ΔSOC以及超級電容器組此時(shí)的充放電狀態(tài)經(jīng)模糊控制器得到，從而實(shí)時(shí)控制并網(wǎng)功率參考值Pref的輸出，如圖3所示。Pref與并網(wǎng)功率PH的偏差通過功率調(diào)節(jié)器得到雙向DC-DC變換器的調(diào)制電流指令值；與其反饋值i1進(jìn)行比較再通過電流調(diào)節(jié)器得到占空比d1的反饋控制量，以達(dá)到電流對指令的快速跟蹤；作為占空比d1的前饋控制量，可以抑制電壓波動給電流控制帶來的干擾。

圖3 模糊控制器的結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of fuzzy logic controller

網(wǎng)側(cè)變換器采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。通過電壓環(huán)調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓，直流電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為d軸（有功）電流的參考值，使直流側(cè)電壓保持穩(wěn)定；q軸（無功）電流參考值通常設(shè)為0，使系統(tǒng)運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)。

3 模糊控制器的設(shè)計(jì)

通常并網(wǎng)功率參考值Pref由風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率PG經(jīng)一階低通濾波器得到，即

圖4為風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率PG=2MW時(shí)，并網(wǎng)功率參考值Pref隨一階低通濾波器時(shí)間常數(shù)T的變化波形圖。由圖4可知，時(shí)間常數(shù)T的取值越小，并網(wǎng)功率參考值Pref對風(fēng)電機(jī)組輸出功率PG的跟蹤速度越快，反之則越慢。

圖4 并網(wǎng)功率參考值Pref隨時(shí)間常數(shù)T的變化特性Fig.4 Relations between the reference power transmitted to the grid and the time constant

圖3 所示模糊控制器的作用就是根據(jù)超級電容器組的荷電狀態(tài)以及其充放電狀態(tài)給出合適的時(shí)間常數(shù)值T，從而實(shí)時(shí)動態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)電并網(wǎng)功率參考值，以達(dá)到對超級電容器組輸出功率及其荷電狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制。當(dāng)超級電容器組荷電狀態(tài)偏高時(shí)，若處在充電狀態(tài)下，則減少時(shí)間常數(shù)，使并網(wǎng)功率參考值對風(fēng)電場輸出功率的跟蹤速度變快，從而相對減少超級電容器組充電功率的大小，以減緩其荷電狀態(tài)升高的速度，防止超級電容器組出現(xiàn)過度充電的狀況；若處在放電狀態(tài)下，則增大時(shí)間常數(shù)，使并網(wǎng)功率參考值對風(fēng)電場輸出功率的跟蹤速度變慢，從而相對增大超級電容器組的放電功率，加速其荷電狀態(tài)的降低，使之向著適中的荷電狀態(tài)變化。反之亦然，當(dāng)超級電容器組荷電狀態(tài)偏低時(shí)，若處在充電狀態(tài)下，則增大時(shí)間常數(shù)，使并網(wǎng)功率參考值對風(fēng)電場輸出功率的跟蹤速度變慢，從而相對增大超級電容器組的充電功率，加速其荷電狀態(tài)的回升，使之向著適中的荷電狀態(tài)變化；若處在放電狀態(tài)下，則減少時(shí)間常數(shù)，使并網(wǎng)功率參考值對風(fēng)電場輸出功率的跟蹤速度變快，從而相對減少超級電容器組放電功率的大小，以減緩其荷電狀態(tài)降低的速度，防止超級電容器組出現(xiàn)深度放電的狀況。

根據(jù)超級電容器組控制系統(tǒng)的上述特性，本文采用兩輸入-單輸出的二維結(jié)構(gòu)形式。

輸入1：荷電狀態(tài)的偏差ΔSOC=SOC-SOCref，其中，SOC為超級電容器組的實(shí)時(shí)荷電狀態(tài)，SOCref為超級電容器組荷電狀態(tài)的參考值（本文取SOCref=60%），取其語言變量為E1，基本論域?yàn)閇-40%，40%]，模糊論域?yàn)閧-3,-2,-1,0,+1,+2,+3}，對應(yīng)的模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，分別表示當(dāng)前超級電容器組的荷電狀態(tài)，相對于設(shè)定值為{極低，很低，偏低，適中，偏高，很高，極高}。

超級電容器組荷電狀態(tài)的參考值SOCref的選取取決于使超級電容器組能夠正常工作所允許的荷電狀態(tài)取值范圍。若超級電容器組荷電狀態(tài)在20%～100%時(shí)能夠正常工作，則其參考值SOCref可取為60%，即：SOCref=20%+(100%-20%)/2=60%，以此作為超級電容器組適中的荷電狀態(tài)。

輸入2：超級電容器組的充放電狀態(tài)，取其語言變量為E2。N表示超級電容器組處于放電狀態(tài)，P表示超級電容器組處于充電狀態(tài)。超級電容器組的充放電狀態(tài)可由風(fēng)電場輸出功率PG與實(shí)際并網(wǎng)功率PT的大小來確定，若PG＜PH，表示超級電容器組處于放電狀態(tài)，若PG＞PH，表示超級電容器組處于充電狀態(tài)。

輸出：一階低通濾波器時(shí)間常數(shù)T，其基本論域?yàn)閇0s,3000s],模糊論域?yàn)閧0,1,2,3,4,5,6}，對應(yīng)的模糊子集為{EL,VL,RL,ZO,RB,VB,EB}，分別表示濾波時(shí)間常數(shù)為{極小，很小，偏小，適中，偏大，很大，極大}。

濾波時(shí)間常數(shù)T的數(shù)量級選取主要取決于風(fēng)電機(jī)組在一定時(shí)段（1min或10min）內(nèi)的功率變化率，以及在該時(shí)段內(nèi)風(fēng)電并網(wǎng)功率所允許的最大變化率。若風(fēng)電機(jī)組的功率變化率越大，風(fēng)電并網(wǎng)功率所允許的最大變化率越小，則時(shí)間常數(shù)T的數(shù)量級會越高。反之，則會越低。

模糊控制器的輸入輸出隸屬度函數(shù)都采用靈敏性較強(qiáng)的高斯隸屬函數(shù)，去模糊化方法采用重心法。

根據(jù)前面描述的超級電容器組荷電狀態(tài)的偏差大小及其充放電狀態(tài)所對應(yīng)的濾波時(shí)間常數(shù)輸出的關(guān)系，給出模糊控制器的控制規(guī)則見下表。表中的模糊規(guī)則充分反映了時(shí)間常數(shù)T在不同的荷電狀態(tài)偏差ΔSOC及其充放電狀態(tài)下的變化特性?，F(xiàn)從表中選取以下兩條規(guī)則加以說明。

規(guī)則1：IF E1 is PB and E2 is P,THENTis EL。

規(guī)則2：IF E1 is NB and E2 is P,THENTis EB。

規(guī)則1解釋為：當(dāng)荷電狀態(tài)SOC與其參考值SOCref偏差ΔSOC正極大時(shí)（PB）且超級電容器組處于充電狀態(tài)（P）時(shí)，模糊控制器給出的時(shí)間常數(shù)輸出為極小值（EL）。時(shí)間常數(shù)的最小值可取0，此時(shí)超級電容器組的充放電功率為0，其荷電狀態(tài)不變化。

規(guī)則2解釋為：當(dāng)荷電狀態(tài)SOC與其參考值SOCref偏差ΔSOC負(fù)極大時(shí)（NB）且超級電容器組處于充電狀態(tài)（P）時(shí)，模糊控制器給出的時(shí)間常數(shù)T的輸出為極大值（EB）。

表 模糊控制器規(guī)則表Tab.Rules of fuzzy controller

4 系統(tǒng)的仿真分析

利用Matlab/Simulink對圖1所示的基于超級電容器的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真。具體的仿真參數(shù)如下：風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率為2MW，輸出線電壓有效值為690V，頻率為50Hz；超級電容器組的額定電壓為600V，容量為1MW/400(kW·h)；電網(wǎng)側(cè)變換器的直流側(cè)電壓額定值為2 200V，功率器件為IGBT，開關(guān)頻率均為5kHz；連接超級電容器組的雙向DC-DC變換器的升壓電感為0.1mH，電網(wǎng)側(cè)變換器的直流側(cè)電容為CDC=20mF，輸出濾波電感為L=1.8mH。

風(fēng)電機(jī)組輸出有功功率PG如圖5所示。風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)功率PH在0時(shí)刻的初始值為0.87MW；超級電容器組在0時(shí)刻的初始荷電狀態(tài)為80%；并假定超級電容器組荷電狀態(tài)的正常工作范圍為20%～100%；若超出這個(gè)范圍，超級電容器組將停止工作。以下是采用模糊控制和未采用模糊控制時(shí)系統(tǒng)的仿真結(jié)果及其分析。

圖5 采用模糊控制時(shí)系統(tǒng)的仿真波形Fig.5 Simulation results with fuzzy logic control strategy

當(dāng)系統(tǒng)采用本文所提出的模糊控制時(shí)，其仿真結(jié)果如圖5所示。當(dāng)超級電容器組荷電狀態(tài)較大時(shí)，若處于充電狀態(tài)下，則減少濾波時(shí)間常數(shù)，降低其充電功率的大小，減緩其荷電狀態(tài)的增加速度，防止出現(xiàn)過度充電的狀況發(fā)生；若處于放電狀態(tài)下，則增大濾波時(shí)間常數(shù)，提高其放電功率的大小，加速其荷電狀態(tài)的降低，使之向著適中的荷電狀態(tài)轉(zhuǎn)變，與此同時(shí)對風(fēng)電機(jī)組的功率波動還能起到較好的平滑效果。反之亦然，仿真結(jié)果很好地說明了所提控制方法的有效性和正確性。

當(dāng)系統(tǒng)未采用本文所提出的模糊控制時(shí)，即采用固定的濾波時(shí)間常數(shù)T。一般情況下，濾波時(shí)間常數(shù)取得越大，則對風(fēng)電機(jī)組功率波動的平滑效果會越好，但這同時(shí)也需要配置更大容量的超級電容器組，不利于經(jīng)濟(jì)性。圖6所示為未采用模糊控制，濾波時(shí)間常數(shù)T=600s時(shí)的仿真波形。圖6中看出，超級電容器組在12.517min時(shí)，其荷電狀態(tài)將達(dá)到100%，之后一段時(shí)間將處于過度充電的狀態(tài)。圖7所示為未采用模糊控制，濾波時(shí)間常數(shù)T=400s時(shí)的仿真波形。由圖7b可見，雖然在仿真時(shí)段內(nèi)能夠保證超級電容器組不出現(xiàn)過度充電或深度放電的狀況，但對風(fēng)電機(jī)組功率波動的平滑效果不如采用模糊控制時(shí)的平滑效果好。

圖6 未采用模糊控制且T=600s時(shí)系統(tǒng)的仿真波形Fig.6 Simulation results without fuzzy logic control strategy and time constant T=600s

圖7 未采用模糊控制且T=400s時(shí)系統(tǒng)的仿真波形Fig.7 Simulation results without fuzzy logic control strategy and time constant T=400s

5 結(jié)論

風(fēng)電儲能系統(tǒng)的優(yōu)化控制在提高其技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性方面將起到至關(guān)重要的作用。本文將模糊控制引入儲能系統(tǒng)的優(yōu)化控制中，根據(jù)儲能系統(tǒng)實(shí)時(shí)的荷電狀態(tài)及其充放電狀態(tài)，通過模糊控制器實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)一階低通濾波器的時(shí)間常數(shù)，從而在實(shí)現(xiàn)平抑風(fēng)電機(jī)組功率波動的同時(shí)，還能夠使儲能系統(tǒng)避免出現(xiàn)過度充電或深度放電的狀況，并向著適中的荷電狀態(tài)轉(zhuǎn)變。仿真結(jié)果驗(yàn)證了上述所提控制策略的正確性和有效性。

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