光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的混成控制研究

李 莎 粟時平 劉桂英 范孝春 黃 飛

（長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410004）

傳統(tǒng)能源短缺和環(huán)境污染催生可再生能源的開發(fā)和利用，而太陽能又以清潔環(huán)保、來源之廣而備受人們青睞。近年來，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)成為光伏發(fā)電市場的主流[1]。光伏發(fā)電的不連續(xù)性和隨機(jī)性決定了光伏發(fā)電系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，而且光伏陣列的輸出功率隨著外界環(huán)境溫度、輻照度等因素影響變化頻繁[2]。最大限度地跟蹤光伏陣列最大功率點和向電網(wǎng)提供穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的電能是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)最主要的控制目標(biāo)。在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器作為光伏陣列并入電網(wǎng)的重要接口，并網(wǎng)逆變器本身的工作特性就是典型的混成動態(tài)系統(tǒng)特性，因此，在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中引入混成控制思想，能夠更好的適應(yīng)外界環(huán)境因素的變化、實現(xiàn)多種目標(biāo)控制。

針對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)具有典型的混成系統(tǒng)特性，本文在分析了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的混成特性之后，提出了單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)混成控制策略。該控制策略是以邏輯條件作為離散事件，離散事件在自動機(jī)的作用下改變系統(tǒng)的運行模式，從而達(dá)到消除事件的目的。該控制方法能夠快速響應(yīng)外界環(huán)境變化、提高并網(wǎng)電能質(zhì)量、保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的深入研究具有一定的實際意義。

1 混成控制理論

1.1 混成控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混成控制系統(tǒng)，通常是指其被控制對象或控制器中同時含有離散模型和連續(xù)模型，且這兩種模型相互影響共同確定系統(tǒng)的性能。離散模型在控制中通常以離散決策者的形式出現(xiàn)，一個切換選擇器或限幅器也可以是控制器的離散部分，而連續(xù)模型通常由微分方程或差分方程來描述[3]?；斐煽刂评碚撌菫榻鉀Q非線性、隨機(jī)干擾性等復(fù)雜系統(tǒng)控制問題提供的新思想。

混成控制系統(tǒng)主要由連續(xù)變量動態(tài)系統(tǒng)、離散事件動態(tài)系統(tǒng)和接口這3個部分構(gòu)成，可以看成分層結(jié)構(gòu)的小型復(fù)雜混成控制系統(tǒng)，如圖1所示。其中，離散事件動態(tài)系統(tǒng)可用邏輯語言來描述，在接受到接口中的最新變量信息之后分析系統(tǒng)的運行情況，并根據(jù)最新信息判斷定義的事件是否發(fā)生，而決定向連續(xù)變量動態(tài)系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)的控制指令；連續(xù)變量動態(tài)系統(tǒng)一般用微分方程或差分方程來描述，從上層中輸出的控制指令將決定連續(xù)變量動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)模式的變遷；由事件發(fā)生器和執(zhí)行器組成的接口主要用于兩系統(tǒng)之間的信息交換[4-7]。

圖1 混成控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)圖

1.2 混成控制系統(tǒng)建模

混成控制系統(tǒng)建模方法一般有兩大類：①基于離散事件動態(tài)系統(tǒng)的建模方法，連續(xù)系統(tǒng)運行過程由離散事件來劃分狀態(tài)區(qū)間，連續(xù)動態(tài)行為作為離散系統(tǒng)的下層嵌入到系統(tǒng)中來，用多 Agent、有限自動機(jī)、Petri網(wǎng)、極大代數(shù)等方法來描述復(fù)雜的離散動態(tài)系統(tǒng)；②基于連續(xù)變量動態(tài)系統(tǒng)的建模方法離散事件被當(dāng)成連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)切換的條件，將表示時間和連續(xù)變量的微分方程或差分方程進(jìn)行拓展，以包含體現(xiàn)狀態(tài)演變的離散事件和變量，如事件流模型、混合邏輯動態(tài)系統(tǒng)模型、切換系統(tǒng)模型、仿射型混雜控制模型等[8]。

2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的混成特性分析

在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，整個系統(tǒng)由光伏陣列、并網(wǎng)逆變器和電網(wǎng)組成，光伏陣列產(chǎn)生電能、變換電路連續(xù)工作和電網(wǎng)正常運行表現(xiàn)為連續(xù)動態(tài)行為，可以用微分方程或差分方程來描述，而外界環(huán)境因素的變化、人為操作行為和變換電路中功率開關(guān)管的通斷表現(xiàn)為離散事件動態(tài)行為，連續(xù)變量動態(tài)行為和離散事件動態(tài)為交織作用使得光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是一個具有明顯的非線性、不確定性、非純一性的典型混成動態(tài)系統(tǒng)。其混成特性主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）光伏陣列的混成特性

光伏陣列作為直流電源輸入，由于光伏陣列本身的V-I特性和P-V特性具有強烈的非線性，光照強度和環(huán)境溫度等外界因素可以改變光伏陣列的輸出功率、輸出電壓等。光伏陣列的輸出功率和輸出電壓決定了系統(tǒng)的運行模態(tài)，各種模態(tài)在光伏陣列的輸出功率和輸出電壓構(gòu)成的離散事件下變遷，而每一種模態(tài)又是連續(xù)運行的，因此，光伏陣列呈現(xiàn)出典型的混成動態(tài)特性。

2）光伏并網(wǎng)逆變器的混成特性

光伏并網(wǎng)逆變器的主電路是由電力電子開關(guān)器件構(gòu)成，電力電子開關(guān)器件是由連續(xù)變量動態(tài)行為和離散事件行為組成的，開關(guān)管的斷開和閉合構(gòu)成離散事件，離散事件決定并網(wǎng)逆變器的電路拓?fù)?，在特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的連續(xù)工作狀態(tài)就是連續(xù)動態(tài)系統(tǒng)。而在實際應(yīng)用當(dāng)中，并網(wǎng)逆變器的功能決定了其可以工作在有功發(fā)生器、無功補償器、有源濾波器和電能質(zhì)量統(tǒng)一控制器的并網(wǎng)運行模式，各種模式之間的變遷是離散的，而在每一種模式下的運行狀態(tài)又是連續(xù)的，離散事件行為和連續(xù)動態(tài)變量行為的相互作用使得光伏并網(wǎng)逆變器是一個復(fù)雜的混成動態(tài)系統(tǒng)。

3）電網(wǎng)的混成特性

電網(wǎng)是由電源、輸電和配電構(gòu)成的一個龐大系統(tǒng)，除了表現(xiàn)出強非線性、高維數(shù)和多時速特征外，正常運行模式下的連續(xù)動態(tài)行為和輸配電的邏輯約束、各種調(diào)度控制使得電網(wǎng)具有典型的混成動態(tài)特性。

3 單相雙極式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

3.1 單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制原理如圖2所示。系統(tǒng)采用兩級式結(jié)構(gòu)，前級用 Boost電路完成光伏陣列的最大功率點跟蹤控制，后級是全橋逆變電路，主要完成從直流電到交流電的逆變和控制逆變器輸出的并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。

圖2 單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)控制原理圖

3.2 最大功率點跟蹤混成控制策略

光伏陣列的輸出功率是外部環(huán)境因素的非線性函數(shù)，為了充分利用光伏陣列的效能，應(yīng)該采用最大功率點跟蹤控制策略使光伏陣列盡可能的工作在最大功率點。由Boost電路工作原理可得

式中，D為開關(guān)T的占空比。在功率平衡的情況下，通過調(diào)節(jié)占空比 D 可調(diào)節(jié)光伏陣列輸出電壓 Upv，從而達(dá)到光伏陣列最大功率點跟蹤控制的目的。

本文采用變占空比的混成控制方法作為光伏陣列最大功率點跟蹤控制策略，在控制過程中，將ΔD分為兩個等級，即大步長ΔD1和小步長ΔD2，大步長調(diào)節(jié)適用于由外界環(huán)境突變使得光伏陣列工作在遠(yuǎn)離最大功率點時，以快速響應(yīng)外界環(huán)境的變化；小步長調(diào)節(jié)適用于光伏陣列工作在最大功率點附近，以減小功率振蕩。由光伏陣列的P-V特性曲線可知，在最大功率點的兩側(cè)的符號是不一樣的，定義函數(shù)；函數(shù)。根據(jù)S1、S2的符號就可以判斷光伏陣列工作點的大概位置，因此，可以決定下一時刻占空比的調(diào)節(jié)方式。定義如下邏輯條件來構(gòu)成離散事件。

MPPT混成控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示，混成控制器首先檢測到光伏陣列輸出功率和輸出電壓，通過連續(xù)控制環(huán)節(jié)得到功率和電壓的變化情況，控制決策環(huán)節(jié)先判斷定義的事件是否發(fā)生，再根據(jù)事件類型決定如何調(diào)節(jié)占空比。變占空比的控制決策如圖4所示。

圖3 MPPT混成控制器結(jié)構(gòu)

圖4 MPPT控制決策自動機(jī)模型

3.3 單相光伏并網(wǎng)逆變器混成控制策略

考慮到單相光伏并網(wǎng)逆變器的混成特性，本文將混成控制策略用于對并網(wǎng)逆變器的控制。所用控制策略的基本工作原理是：檢測濾波電感電流iL，給定指令電流iref，通過比較iref和iL，根據(jù)這兩電流的瞬時值之差 Δ i = iref- iL與所設(shè)定的誤差閾值 H比較來判斷下一時刻單相光伏并網(wǎng)逆變器的4個開關(guān)管的通斷情況。定義如下邏輯條件來構(gòu)成電流事件。

并網(wǎng)逆變器混成控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示，混成控制器首先檢測到并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓，通過連續(xù)控制環(huán)節(jié)得到指令電流和并網(wǎng)電流，控制決策環(huán)節(jié)判斷定義的事件是否發(fā)生，根據(jù)事件類型決定選用哪種開關(guān)管導(dǎo)通模式來產(chǎn)生PWM信號，PWM信號形成的控制決策如圖6所示。

圖5 并網(wǎng)逆變器混成控制器結(jié)構(gòu)

圖6 并網(wǎng)逆變器控制決策自動機(jī)模

4 仿真分析

為驗證上述方法的正確性與有效性，將對單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)利用 Matlab軟件平臺搭建仿真模型進(jìn)行仿真驗證[9-10]。離散控制決策根據(jù)圖 4 、圖 6 所示用Stateflow構(gòu)建的混成自動機(jī)模型，連續(xù)系統(tǒng)由Simulink來實現(xiàn)。仿真采用的參數(shù)為：光伏電池在標(biāo)況Tref=25℃ ，Sref= 1 000W/m2情形下運行，Isc=8.3A，Uoc=350V ，Im=7.4A， Um=280V ，電容 Cs=50μF，L1= 4mH ， Cdc=2000μF，濾波電感L=4mH，等效電阻r=0.01Ω，交流側(cè)電網(wǎng)電壓us的幅值是310V，頻率為50Hz，設(shè)定 H = 0.01。仿真結(jié)果如圖7所示，由仿真波形可知，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作在最大功率點，并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓基本保持同頻同相，滿足并網(wǎng)要求。

圖7 仿真波形

5 結(jié)論

本文分析了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的混成特性，分別設(shè)計出了最大功率點跟蹤和并網(wǎng)逆變器混成控制決策，建立了基于混成自動機(jī)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制模型，并進(jìn)行仿真驗證。從仿真結(jié)果可得，采用該方法的系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)速度快，跟蹤精度高，因此，采用本文提出的方法解決光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制問題是正確可行的，也是有效的。

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