模糊變結(jié)構(gòu)控制的光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)

季延娥，孫玉坤，蔡紀(jì)鶴

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

模糊變結(jié)構(gòu)控制的光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)

季延娥，孫玉坤，蔡紀(jì)鶴

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)(PVPCS)集并網(wǎng)發(fā)電、無功補(bǔ)償和諧波抑制為一體，對改善電能質(zhì)量、減少功率損耗和提高系統(tǒng)利用率有重要作用。在分析了系統(tǒng)工作原理、瞬時(shí)無功檢測、并網(wǎng)電流合成以及并網(wǎng)電流跟蹤控制的理論基礎(chǔ)上，研究了基于模糊變結(jié)構(gòu)控制的PVPCS的設(shè)計(jì)方法。針對含PVPCS的單機(jī)無窮大系統(tǒng)進(jìn)行電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真，與常規(guī)PI控制進(jìn)行比較驗(yàn)證。研究結(jié)果表明:該系統(tǒng)在光伏并網(wǎng)發(fā)電的同時(shí)能夠快速穩(wěn)定直流側(cè)電容電壓，有效抑制電網(wǎng)諧波，很好地對無功進(jìn)行補(bǔ)償，具有較強(qiáng)的魯棒性和適應(yīng)性，提高了系統(tǒng)利用率。

諧波分析;無功補(bǔ)償;模糊變結(jié)構(gòu)控制;光伏并網(wǎng)

1 引言

在全球出現(xiàn)能源緊缺的今天，可再生能源的利用引起了廣泛的重視。太陽能技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，光伏并網(wǎng)發(fā)電成為人們利用太陽能的最主要途徑［1，2］。諧波抑制和無功補(bǔ)償對改善電網(wǎng)品質(zhì)、提高電能利用率、保持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義［3］。光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)(Photo Voltaic Power Conditioning System，PVPCS)在結(jié)構(gòu)上和靜止無功補(bǔ)償器(STATCOM)基本相同，其特點(diǎn)是將無功補(bǔ)償、諧波抑制和光伏發(fā)電相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)在對電網(wǎng)進(jìn)行有功傳送的同時(shí)，進(jìn)行諧波和無功的補(bǔ)償［4，5］。

滑模變結(jié)構(gòu)控制(SMC)是一種特殊的非線性控制策略，它無需精確的對象模型，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，以躍變的控制方式迫使系統(tǒng)沿設(shè)定的“滑動(dòng)模態(tài)”運(yùn)動(dòng)。實(shí)踐證明，SMC具有響應(yīng)速度快、對參數(shù)及外加干擾不靈敏、無需系統(tǒng)在線辨識、物理實(shí)現(xiàn)簡單等許多本質(zhì)上的優(yōu)點(diǎn)［6，7］。

在強(qiáng)非線性、變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)的電力系統(tǒng)環(huán)境下，常規(guī)PI控制不足以使PVPCS在廣闊的電力系統(tǒng)運(yùn)行空間內(nèi)發(fā)揮出理想的控制效果。本文結(jié)合模糊控制，針對含PVPCS的單機(jī)無窮大系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種非線性復(fù)合模糊變結(jié)構(gòu)控制器(FSMC)，對系統(tǒng)中的諧波抑制和無功補(bǔ)償進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。它兼顧了二者的優(yōu)點(diǎn)，削弱了滑?？刂频姆€(wěn)態(tài)抖振，并且有效消除了模糊控制的調(diào)節(jié)死區(qū)?；诖舜罱薖VPCS仿真模型，其與傳統(tǒng)PI控制相比性能更高，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)證明了其有效性。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。光伏電池經(jīng)DC/ DC升壓后，由DC/AC變換輸送給電網(wǎng)。逆變器直流側(cè)的電能通過FSMC以有功電流的形式輸出，同時(shí)檢測負(fù)載電流諧波和負(fù)載無功電流，經(jīng)指令電流運(yùn)算后，得到光伏并網(wǎng)電流指令值，最后與逆變電流采樣反饋值合成，電流控制單元完成諧波抑制和對負(fù)載電流補(bǔ)償功能，實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償電流跟蹤的快速性，保證了供電質(zhì)量。

3 并網(wǎng)電流合成

本文在文獻(xiàn)［5］的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)的無功、諧波補(bǔ)償進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，并網(wǎng)電流合成如圖2所示。

圖2中，ia、ib、ic為三相瞬時(shí)電流，ica、icb、icc為并網(wǎng)電流的參考值，iLp為負(fù)載電流的有功分量經(jīng)LPF得到基波有功電流。

圖1 光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig．1Structure of PVPCS

圖2 并網(wǎng)電流結(jié)構(gòu)圖Fig．2Composition of grid-connecting current

式(2)中，前一項(xiàng)是負(fù)載中諧波和無功指令電流，后一項(xiàng)是直流側(cè)三相基波電流，包括光伏有功分量。指令電流通過逆變器向電網(wǎng)中注入與ica、icb、icc幅值相等、極性相反的補(bǔ)償電流，達(dá)到了在光伏發(fā)電的同時(shí)對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償與諧波抑制的目的。

因鎖相環(huán)PLL鎖住了a相電壓sinωt和－cosωt，所以檢測出的諧波和無功電流結(jié)果不受電源電壓是否有畸變的影響，該方法具有很好的實(shí)時(shí)性。

4 模糊變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)

滑模變結(jié)構(gòu)控制是控制系統(tǒng)的一種綜合方法，它分為以下兩個(gè)步驟［6］:

(1)求切換函數(shù)S(x)，使切換面S(x)=0上的滑動(dòng)模態(tài)漸近穩(wěn)定而且具有良好的動(dòng)態(tài)特性。

(2)求變結(jié)構(gòu)控制u±(x)，使任一運(yùn)動(dòng)于有限時(shí)間內(nèi)到達(dá)切換面。

研究圖3所示的單機(jī)無窮大系統(tǒng)［8］，PVPCS通過連接變壓器安裝在傳輸線的中點(diǎn)。

圖3 PVPCS并聯(lián)接入單機(jī)無窮大系統(tǒng)Fig．3Single-machine infinite bus system with PVPCS

圖3中，E'q為發(fā)電機(jī)的暫態(tài)電抗x'd后電動(dòng)勢的q軸分量;Um為接入點(diǎn)A的母線電壓;x1為計(jì)及xd從發(fā)電機(jī)到點(diǎn)A的總電抗;x2為點(diǎn)A到無窮大母線的電抗;C為直流側(cè)電容;x為裝置等效電抗;E'q和無窮大系統(tǒng)電壓Us之間相角差為δ;Um和Us之間相角差為δ－θ。假設(shè)Pe為發(fā)電機(jī)發(fā)出功率;Pm為發(fā)電機(jī)機(jī)械功率;H為發(fā)電機(jī)慣性常數(shù);D為阻尼系數(shù);ω0為同步角速度;δ0、θ0、Um0分別為δ、θ、Um的初始值。Is為光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的無功補(bǔ)償電流;T為慣性時(shí)間常數(shù);K為調(diào)節(jié)器比例控制系數(shù);u為控制輸入量。則含PVPCS的單機(jī)無窮大系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為:

只考慮附加信號的作用，將式(3)寫成標(biāo)準(zhǔn)仿射非線性系統(tǒng)形式，即

式中

對控制信號u采用變結(jié)構(gòu)控制方式設(shè)計(jì)，對式(3)運(yùn)用直接線性化理論，得:

在此變換下，式(3)變?yōu)?

式中

式(6)為一相變量形式的線性系統(tǒng)，則可采用線性切換函數(shù)來設(shè)計(jì)滑模變結(jié)構(gòu)控制器。

取切換函數(shù):

式中，λ1、λ2為滑動(dòng)模態(tài)的極點(diǎn)，可以從理論上確保控制器的魯棒性。

對式(7)求導(dǎo)，得切換函數(shù)的變化率:

滑模變結(jié)構(gòu)控制方法魯棒性強(qiáng)，動(dòng)態(tài)性能好。本文引入模糊控制方法實(shí)現(xiàn)變結(jié)構(gòu)控制規(guī)律，由模糊推理得出的控制量不但能有效地削弱滑模變結(jié)構(gòu)控制趨于穩(wěn)態(tài)時(shí)的“抖振”現(xiàn)象，而且控制器中引入了模糊邏輯推理機(jī)制，使FSMC控制器在復(fù)雜多變、不確定的非線性電力系統(tǒng)中具有更好的控制效果和更高的魯棒性。

設(shè)計(jì)的模糊變結(jié)構(gòu)控制器結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。采用模糊控制方法實(shí)現(xiàn)變結(jié)構(gòu)控制規(guī)律，將滑模切換函數(shù)s和其變化率s在模糊集論域［－6，6］上非均勻離散模糊化，作為模糊控制的輸入，定義7個(gè)模糊子集，設(shè)計(jì)了如表1所示的模糊推理規(guī)則，滿足滑模變結(jié)構(gòu)的廣義滑模存在條件s＜0。表1所示為不同模糊子集下U的推理規(guī)則。

圖4 PVPCS控制器結(jié)構(gòu)Fig．4Controller structure of PVPCS

表1 FSMC模糊控制規(guī)則表Tab．1Fuzzy control rules of FSMC

5 系統(tǒng)仿真結(jié)果

采用MATLAB軟件對圖3所示的單機(jī)無窮大系統(tǒng)進(jìn)行暫態(tài)仿真，為了對比分析FSMC控制方式對提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的效果，實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了PVPCS常規(guī)PI控制器結(jié)構(gòu)，如圖4(b)所示，并對基于FSMC的PVPCS運(yùn)行進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證其有效性和控制效果，仿真電路參數(shù)如表2所示，仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

由圖5可知，從發(fā)電機(jī)到光伏系統(tǒng)注入點(diǎn)A的線路中點(diǎn)處，在t=10.5s發(fā)生三相短路故障，0.15s后系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。FSMC控制可以使接入點(diǎn)交流電壓迅速恢復(fù)到穩(wěn)定值，提高了電壓質(zhì)量;同時(shí)發(fā)電機(jī)-無窮大系統(tǒng)的阻尼增強(qiáng)，有效消除了電壓調(diào)節(jié)的靜差，過渡時(shí)間也相應(yīng)縮短，從而減小了控制系統(tǒng)趨于穩(wěn)態(tài)時(shí)的抖動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的跟隨性和較強(qiáng)的魯棒性。仿真結(jié)果充分驗(yàn)證了該控制器的有效性。

表2 仿真電路參數(shù)Tab．2Simulation circuit parameters

圖5 仿真結(jié)果曲線Fig．5Simulation curves

由于三相系統(tǒng)和負(fù)載都是對稱的，因此仿真結(jié)果僅以A相分析為例。由圖6不難看出，在0.01s前電網(wǎng)諧波得到了很好的抑制，與此同時(shí)系統(tǒng)的無功得到了補(bǔ)償，當(dāng)電容充電到額定電壓時(shí)，系統(tǒng)漸漸達(dá)到穩(wěn)定，大約在0.01s后并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，補(bǔ)償后的波形得到了明顯的改善，達(dá)到了整個(gè)并網(wǎng)的要求。

6 結(jié)論

本文應(yīng)用模糊變結(jié)構(gòu)控制理論，設(shè)計(jì)了能同時(shí)改善單機(jī)-無窮大系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性能、維持節(jié)點(diǎn)電壓和抑制閃變的FSMC控制器。PVPCS在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，具有消除諧波和補(bǔ)償無功功率的功能，實(shí)現(xiàn)了有功功率和無功功率的連續(xù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，該控制系統(tǒng)比常規(guī)PI控制更加穩(wěn)定，魯棒性更強(qiáng)，易于工程實(shí)現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的利用率。本文的研究可為PVPCS系統(tǒng)級控制器的進(jìn)一步研究設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。

圖6 系統(tǒng)仿真結(jié)果波形Fig．6Waveforms of system simulation result

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(，cont．on p.59)(，cont．from p.23)

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Photovoltaic grid-connected power conditioning system based on fuzzy sliding mode variable-structure control

JI Yan-e，SUN Yu-kun，CAI Ji-he
(Institute of Electrical and Information Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

When integrated with the function of active power output，harmonic and reactive power compensation，PV grid-connected power conditioning system(PVPCS)is helpful to improve power quality and efficiency of the system．Its working principle and instantaneous reactive power theory are analyzed．Combination of grid-connected current and current tracking is also discussed．PVPCS based on fuzzy sliding variable-structure control(FSMC)is studied and the transient simulation in single machine infinite bus system is compared with traditional PI control．Research results show that this system can effectively optimize the reactive and harmonic compensation while stabilizes the DC capacitor voltage and with better robustness and adaptability．Efficiency of the system is improved．

harmonic analysis;reactive power compensation;fuzzy sliding mode variable-structure control;PV grid-connection

TM615

A

1003-3076(2014)12-0020-04

2012-09-07

國家自然科學(xué)基金(61074019)、江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程(蘇政辦發(fā)［2011］6號)、江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃(CX10B_267Z;CXZZ12_0686)資助項(xiàng)目

季延娥(1987-)，女，江蘇籍，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量及光伏并網(wǎng)技術(shù);孫玉坤(1958-)，男，江蘇籍，教授，博導(dǎo)，研究方向?yàn)殡娏﹄娮?、光伏并網(wǎng)、運(yùn)動(dòng)控制和電能質(zhì)量控制。