光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)模糊PID控制

賀運(yùn)勝

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)有限公司廣東火電工程總公司，廣東廣州 510730）

在可再生能源備受關(guān)注的今天，太陽能以取之不盡，用之不竭、清潔、環(huán)保等特點(diǎn)成為人們利用的焦點(diǎn)。太陽能發(fā)電是合理利用太陽能的有效方法[1]，其中的光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)兩類。在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，對(duì)電網(wǎng)的跟蹤控制直接關(guān)系到輸出電能的質(zhì)量和系統(tǒng)的運(yùn)行效率，是系統(tǒng)的核心和技術(shù)關(guān)鍵，控制系統(tǒng)的性能在很大程度上決定著并網(wǎng)的成敗，因此，一種合理的控制策略就顯得十分必要[2-7]。

現(xiàn)在并網(wǎng)的技術(shù)多種多樣，目前處于主導(dǎo)地位的仍然是PID控制技術(shù)，但是PID控制器參數(shù)一經(jīng)選取，即固定不變。當(dāng)光照環(huán)境等發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作條件發(fā)生變化，使得逆變跟蹤電網(wǎng)電壓的精度降低，難以實(shí)現(xiàn)平滑并網(wǎng)的要求，其顯示出較大局限性，很難取得滿意的效果[2-7]。本文從光伏發(fā)電自身的特點(diǎn)出發(fā)，在模糊控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了光伏并網(wǎng)模糊PID控制器，該控制器通過實(shí)時(shí)改變控制器參數(shù)值，改善了光伏系統(tǒng)并網(wǎng)控制的動(dòng)態(tài)過程，能夠?qū)崿F(xiàn)光伏系統(tǒng)的平滑并網(wǎng)，并通過數(shù)字仿真和物理仿真驗(yàn)證了良好的并網(wǎng)控制效果。

1 并網(wǎng)逆變器及其模型

并網(wǎng)逆變器是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，不僅承擔(dān)著把光伏電池發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，還承擔(dān)著對(duì)頻率、電壓、電流、相位、有功與無功等進(jìn)行控制。在兩級(jí)式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，后級(jí)逆變級(jí)實(shí)現(xiàn)著電能由直流電變?yōu)榕c電網(wǎng)電壓同頻，同相的交流電的任務(wù)，是整個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)的重點(diǎn)，它決定著光伏系統(tǒng)輸入到電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

圖1所示為三相兩級(jí)式并網(wǎng)逆變器的主體結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，前級(jí)DC/DC為Boost電路，后級(jí)為半橋逆變和LCL濾波電路。

圖1 三相并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of three-phase PV gridconnected inverter

根據(jù)圖1并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)，可以導(dǎo)出如圖2所示數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)。

圖2 并網(wǎng)逆變器模型結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Block diagram of PV grid connected inverter mathematical model

2 模糊PID控制

2.1 模糊PID控制原理

模糊PID控制指的是模糊技術(shù)與常規(guī)的PID控制算法相結(jié)合的一種智能控制方法。模糊控制器本身消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差，難以達(dá)到較高的控制精度；而PID調(diào)節(jié)器的積分調(diào)節(jié)作用從理論上可使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差控制為零，有很好的消除誤差作用。因此把模糊控制和PID調(diào)節(jié)器相結(jié)合以增加穩(wěn)態(tài)控制性能。

太陽能的隨機(jī)不確定性，要求系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和小的超調(diào)量。本設(shè)計(jì)的模糊PID控制器的輸入量為誤差E=ΔP/ΔU和誤差變化率ΔE，輸出量光伏陣列輸出的電壓量U。PID控制器三個(gè)參數(shù)的變化量ΔkP，ΔkI和ΔkD，分別加上PID控制參數(shù)的初始值，得到實(shí)際PID控制參數(shù)。模糊PID控制器原理如圖3所示。

圖3 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Block diagram of fuzzy-PID controller

kP，kI，kD的校正將系統(tǒng)誤差E和誤差變化率ΔE變化范圍定義為模糊集上的論域 {E，ΔE}=[-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5]，其模糊子集為{E，ΔE}={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，子集中元素分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大?？偨Y(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立了模糊PID規(guī)則表，如表1所示。

表1 模糊PID的k P，k I，k D的規(guī)則表Tab.1 The rule table of k P、k I and k D of fuzzy-PID

設(shè)E，ΔE和kP，kI，kD均服從正態(tài)分布，因此可得出各模糊子集的隸屬度，根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計(jì)PID參數(shù)的模糊矩陣表，修正參數(shù)代入下式計(jì)算：

在線運(yùn)行過程中，控制系統(tǒng)通過對(duì)模糊規(guī)則結(jié)果進(jìn)行處理、查表和運(yùn)算，完成對(duì)模糊PID參數(shù)的在線自校正。

2.2 基于模糊PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)是一個(gè)雙環(huán)結(jié)構(gòu)，并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)和直流電壓外環(huán)，分別完成逆變控制和直流側(cè)電壓穩(wěn)定。逆變器直流母線電壓的穩(wěn)定直接決定著最大功率跟蹤的效果和并網(wǎng)電流的諧波含量，是連接前后兩級(jí)的紐帶。

并網(wǎng)逆變器開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻率，故可以忽略開關(guān)頻率對(duì)系統(tǒng)的影響，將PWM逆變單元近似為一個(gè)增益環(huán)節(jié)KPWM。圖4所示為并網(wǎng)逆變器電流環(huán)控制框圖。

圖4 電流環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Block diagram of current loop control

其中，Us為電網(wǎng)電壓；iL為閉環(huán)并網(wǎng)電流。

逆變器直流側(cè)電壓基本保持穩(wěn)定，故電壓環(huán)可采用PID控制器，圖5所示為電壓環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖。

圖5 電壓環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Block diagram of voltage loop control

其中ΦI（s），為電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)；Udc為直流側(cè)電壓。

3 仿真實(shí)驗(yàn)研究

基于上述研究，在Matlab/simulink中建立了三相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的模型，光伏陣列的輸出功率從100 kW突變?yōu)?00 kW，最大輸出電壓Umpp=510 V，開路電壓Uoc=597 V，短路電流Isc=241.5 A。仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。圖6為A相并網(wǎng)的電流電壓波形，可以看出基本達(dá)到同頻同相的要求。圖7為并網(wǎng)電流諧波含量圖，經(jīng)過諧波分析得到電流的諧波分量不超過1.8%，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 A相并網(wǎng)的電流電壓波形Fig.6 The current and voltage simulation waveforms of phase A in PV grid connected system

圖7 A相并網(wǎng)電流諧波含量圖Fig.7 Diagram of phase A current harmonic content in PV grid connected system

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提控制算法的有效性和可行性，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主電路參數(shù)與仿真參數(shù)相同，控制器部分采用DSP（TMS320F2812）并行處理方式。圖8為A相并網(wǎng)的電流電壓實(shí)驗(yàn)波形，可以看出物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果相類似，進(jìn)一步基于模糊PID并網(wǎng)算法的有效性。

圖8 A相并網(wǎng)的電流電壓實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 The current and voltage experimental waveforms of phase A in PV grid connected system

5 結(jié)論

文章從光伏發(fā)電系統(tǒng)自身特點(diǎn)的出發(fā)，在三相兩級(jí)式并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，將模糊PID控制策略引入光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)控制中。通過數(shù)字仿真和物理仿真表明模糊控制與PID控制相結(jié)合的模糊PID控制，改善了光伏系統(tǒng)并網(wǎng)控制的動(dòng)態(tài)過程，能夠?qū)崿F(xiàn)光伏系統(tǒng)的平滑并網(wǎng)，并通過數(shù)字仿真和物理仿真驗(yàn)證了良好的并網(wǎng)控制效果。

[1] 寧鐸，高繼春.發(fā)展太陽能光伏發(fā)電的意義及前景[J].西北輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，20（1）：82-84．NING Ze，GAO Ji-chun.The future and significance of the development of the solar energy in photovotogic area[J].Journal of Northwest University of Light Industry，2002，20（1）：82-84（in Chinese）．

[2] 劉觀起，游曉科，楊玉新，等.光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法研究綜述[J].陜西電力，2012，40（2）：18-22.LIUGuan-qi，YOUXiao-ke，YANGYu-xin，et al.Study on maximum power point tracking techniques for photovoltaic power generation system[J].Shaanxi Electric Power，2012，40（2）：18-22（in Chinese）.

[3]俞善慶.崇明島——未來可再生能源基地[J].能源技術(shù)，2006，27（1）：13-15，19.YU Shan-qing.Chongming island a future base of new and renewable energy in China[J].Energy Technology，2006，27（1）：13-15，19（in Chinese）.

[4] 楊愛菊，肖松權(quán)，李紅星，等.太陽能電源點(diǎn)的開發(fā)[J].西北水電，2009（5）：95-99.YANG Ai-ju， XIAO Song-quan， LI Hong-xing，et al.Discussion on development of solar energy sources[J].Northwest Water Power， 2009（5）：95-99（in Chinese）.

[5] 劉鵬，南婧.光伏發(fā)電技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].節(jié)能，2012，31（10）：7-10.LIU Peng，NAN Qian.Application of photovoltaic power generation technology in the micro grid[J].Energy Conservation，2012，31（10）：7-10（in Chinese）.

[6] 何穎，趙爭(zhēng)鳴.新疆光伏發(fā)電現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策[J].能源工程，2004（4）：35-37.HE Ying，ZHAO Zheng-ming.The utilizing status and developing strategies of PV power in Xinjiang[J].Energy Technology，2004（4）：35-37（in Chinese）.

[7] 李碧君，方勇杰，楊衛(wèi)東，等.光伏發(fā)電并網(wǎng)大電網(wǎng)面臨的問題與對(duì)策[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010，26（4）：52-59.LI Bi-jun，F(xiàn)ANG Yong-jie，YANG Wei-dong.Problems and countermeasures for large power grids in connection with photovoltaic power[J].Power System and Clean Energy，2010，26（4）：52-59（in Chinese）.

[8] 田紹據(jù)，謝華.基于DSP的單相光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2009，43（2）：10-11.TIAN Shao-ju，XIE Hua.Design of photovoltaic gridconnected control system based on DSP[J].Power Electronics，2009，43（2）：10-11（in Chinese）.

[9] 黃先偉，張淼，岑長(zhǎng)岸，等.參數(shù)辨識(shí)在光伏發(fā)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].陜西電力，2009，37（1）：5-8.HUANG Xian-wei，ZHANG Miao，CEN Chang-an.Application of parameter identification in control system for photovoltaic generation[J].Shaanxi Electric Power，2009，37（1）：5-8（in Chinese）.

[10]呂新良，張旭，宋曉林，等.分布式光伏發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)研究[J].陜西電力，2012，40（2）：66-69.L譈 Xin-liang， ZHANG Xu， SONG Xiao-lin.Tudy on distributed photovoltaic operation control technology[J].Shaanxi Electric Power，2012，40 （2）：66-69 （in Chinese）.

[11]韋小麗.光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)集控方案分析與設(shè)計(jì)[J].陜西電力，2012，40（4）：58-63，67.WEI Xiao-li.Analysis&design of photovoltaic generation automatic tracing system central control scheme[J].Shaanxi Electric Power，2012，40（4）：58-63，67（in Chinese）.

[12]王飛，余世杰，蘇建徽，等．太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20（5）：87-91.WANG Fei，YU Shi-jie，SU Jian-hui，et al.Research on photovoltaic grid-connected power system[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2005，20（5）:87-91（in Chinese）.

[13]周倩，薛建，于辰，等.基于Matlab的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真分析[J].陜西電力，2012，40（3）：19-22.ZHOU Qian，XUEJian，YUChen.Analysis and simulation for grid-connected photovoltaic system based on matlab[J].Shaanxi Electric Power，2012，40 （3）：19-22 （in Chinese）.

[14]黃殿君，田立欣，王碩，等.光伏并網(wǎng)逆變器控制和仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（10）：146-148.HUANG Dian-jun，TIAN Li-xin，WANG Shuo.Control and simulation of photovoltaic grid-connected inverter[J].Modern Electronics Technique，2012，35（10）：146-148（in Chinese）.

[15]KJAER SB，PEDERSEN J K，BLAABJERG F.A review of single-phase grid-connected inverters for photovoltaic modules[J].IEEE Transaction on Industry Applications，2005，41（5）：1292-1360.

[16]MEINHARDT M，CRAMER G.Past，present and future of grid connected photovoltaic-system and hybrid-powersystems[C]//IEEE-PES Summer Meeting.Seattle，USA：IEEE，2000：1283-1288.