基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光伏發(fā)電系統(tǒng)功率控制方法

陸暢，智勇軍，周志鋒

（國網(wǎng)河南省電力公司平頂山供電公司，河南平頂山467001）

0 引 言

大量光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)，由于電網(wǎng)故障而快速將光伏發(fā)電系統(tǒng)切出電網(wǎng)的方法目前已不能滿足要求，突然將大容量光伏切出系統(tǒng)會對電網(wǎng)系統(tǒng)造成嚴重沖擊，甚至導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰［1-4］。為了保證光伏發(fā)電系統(tǒng)在故障時不脫離電網(wǎng)，需要光伏發(fā)電系統(tǒng)具有低電壓穿越（Low Voltage Ride-Through，LVRT）能力［5-6］。電網(wǎng)電壓正常運行狀況下，光伏并網(wǎng)逆變器通常采用傳統(tǒng)電壓/電流雙閉環(huán)控制策略實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行。當電網(wǎng)電壓發(fā)生三相對稱跌落時，采用傳統(tǒng)的雙環(huán)控制和 LVRT控制策略相互切換來實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越的控制目標［7-8］。

由于電網(wǎng)電壓對稱跌落不含負序分量，只需抑制并網(wǎng)逆變器出口電流，防止過流保護動作，實現(xiàn)其在電網(wǎng)電壓對稱跌落時的低電壓穿越［9-10］。然而，在電網(wǎng)實際運行中，絕大多數(shù)故障為不對稱故障，包括單相接地、兩相接地故障等，若采用傳統(tǒng)三相電壓對稱的低電壓穿越控制策略，由于負序電流存在，并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)功率與光伏陣列發(fā)出功率不平衡，并網(wǎng)逆變器直流側(cè)電壓降大幅度波動，影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，甚至導(dǎo)致其脫網(wǎng)，將不能滿足國標和電網(wǎng)公司關(guān)于入網(wǎng)標準的要求［11-13］。

將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)功率控制的應(yīng)用場合，在電網(wǎng)電壓突變和跌落情況下能夠快速地調(diào)整系統(tǒng)的工作模式，以適應(yīng)光伏陣列最大輸出功率和并網(wǎng)逆變器額定容量及最大輸出電流的限制，具有穩(wěn)定性強、跟蹤速度快等優(yōu)點。闡述了電網(wǎng)故障控制器運行模式切換策略，建立了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的模型，并在Matlab/Simulink平臺下搭建了系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果驗證了所提出控制策略的有效性和可行性。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)

如圖1所示，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的主電路包括光伏陣列、Boost升壓斬波電路、三相逆變器、并網(wǎng)電抗器L、并網(wǎng)開關(guān)SSR、并網(wǎng)變壓器和三相電網(wǎng)，光伏陣列依次通過Boost升壓斬波電路、三相逆變器、并網(wǎng)電抗器L、并網(wǎng)開關(guān)SSR和并網(wǎng)變壓器接入三相電網(wǎng)；CPV為光伏陣列輸出端口并聯(lián)電容，同時為Boost升壓斬波電路提供輸入電壓；VPV和IPV分別為光伏陣列的輸出電壓與輸出電流；直流電容Cdc接在Boost升壓斬波電路輸出端，Cdc同時作為三相逆變器的直流母線電容，其工作電壓為Vdc；三相逆變器通過并網(wǎng)電抗器L、并網(wǎng)開關(guān)SSR和并網(wǎng)變壓器接入三相交流電網(wǎng)。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)電路拓撲及其控制框圖Fig.1 Circuit topology and its control block diagram of PV generation system

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略

2.1 有功功率和無功功率參考值計算

如圖1所示，三相逆變器交流輸出相電壓和線電壓的關(guān)系表示為：

式中 ［vab，vbc，vca］T為三相逆變器交流輸出線電壓，［va，vb，vc］T為三相逆變器交流輸出相電壓。對式（1）采用Clark變換，可得：

式中vα和vβ分別為三相逆變器輸出電壓在靜止αβ坐標系統(tǒng)下α軸和β軸的分量。采用Park變換，將靜止αβ坐標系統(tǒng)的輸出電壓［vα，vβ］T轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標系統(tǒng)，表示為：

式中vd和vq分別為三相逆變器輸出電壓在dq同步坐標系統(tǒng)下d軸和q軸的分量。采用Park變換，將三相逆變器輸出電流［ia，ib，ic］T轉(zhuǎn)換到dq同步坐標系統(tǒng)，表示為：

式中id和iq分別為dq同步坐標系統(tǒng)下d軸和q軸電網(wǎng)電流分量，iq分量用來控制光伏發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)注入的有功分量，id分量用來控制光伏發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)注入的無功分量。光伏發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)注入的瞬時有功功率P和瞬時無功功率Q分別表示為：

通過同步鎖相（PLL）后，三相逆變器輸出電壓相量與電網(wǎng)電壓相量同相位，即vd=0，則瞬時有功功率和瞬時無功功率分別表示為：

設(shè)Vsag表示電網(wǎng)電壓跌落幅度的標幺值，其范圍為［0，1］，則光伏發(fā)電系統(tǒng)需要注入電網(wǎng)的無功電流參考值表示為：

式中 Vbase為電壓基值，當Vsag大于0.1 pu時，光伏發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的無功功率支撐控制模式啟動。為了滿足光伏逆變器低電壓穿越（LVRT）的要求，以及避免逆變器輸出電流超過裝置額定電流導(dǎo)致元器件損壞，三相逆變器視在功率最大值表示為：

式中Imax表示光伏發(fā)電系統(tǒng)注入電網(wǎng)電流的最大允許值。因此，有功功率和無功功率的最大允許值分別表示為：

上述有功功率和無功功率最大允許值P*、Q*將作為光伏發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)注入有功功率和無功功率的參考值，與光伏發(fā)電系統(tǒng)實際有功功率和無功功率P、Q分別求取偏差后，作為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的輸入信號。

2.2 電網(wǎng)故障控制器的模式選擇方法

在上述分析基礎(chǔ)上，建立光伏發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)故障控制器模型，根據(jù)有功功率、無功功率和三相逆變器電流的最大允許值，建立雙模式切換控制策略，動態(tài)地調(diào)整Boost升壓斬波電路的工作模式和三相逆變器的概率模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制輸入?yún)⒖夹盘枴ｋ娋W(wǎng)故障情況下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的雙模式切換的控制策略如下：

模式I：當P*大于光伏陣列的有功功率率PPV時，通過控制三相逆變器的直流母線電壓，將光伏陣列的有功功率率PPV全部注入電網(wǎng)；三相逆變器電流可控制在Imax以內(nèi)，Boost升壓斬波電路工作在最大功率點跟蹤模式（MPPT模式）；

模式II：當P*小于或等于光伏陣列的有功功率率PPV時，Boost升壓斬波電路暫停最大功率點跟蹤，并開始跟蹤功率P*；Boost升壓斬波電路與三相逆變器之間的功率不均衡問題通過控制三相逆變器直流母線電壓來解決。

電網(wǎng)故障控制器通過開關(guān)SW3（如圖1所示）選擇工作模式。如圖2所示，雙模式切換控制策略的具體操作流程包括以下步驟：

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)電網(wǎng)故障控制器的控制模式選擇流程圖Fig.2 Controlmode selection flow chart of grid fault controller in PV generation system

（1）讀取三相逆變器交流輸出線電壓 vab，vbc，vca，光伏發(fā)電系統(tǒng)注入電網(wǎng)電流的最大允許值Imax，計算光伏陣列的有功功率率PPV，并計算Vsag；

（2）判斷Vsag是否大于0.1，若是，光伏發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的無功功率支撐控制模式啟動，進行下一步，否則不操作；

（3）計算 Ir*，｜S｜，P*，Q*；

（4）判斷PPV是否小于或等于P*，若是則進入模式I，否則進入模式II。

Boost升壓斬波電路內(nèi)環(huán)控制器采用比例積分控制器，比例積分控制器的輸入信號通過開關(guān)SW1根據(jù)電網(wǎng)故障控制器的輸出模式信號來選擇輸入信號，系統(tǒng)工作在模式 I時，將最大功率點跟蹤模式（MPPT）下的輸出信號VPV*與光伏陣列的實際輸出信號VPV求偏差，將偏差信號作為Boost升壓斬波電路內(nèi)環(huán)控制的輸入信號。

當系統(tǒng)工作在模式II時，將三相逆變器直流母線電壓參考值Vdc*和實際值 Vdc求取偏差后作為Boost升壓斬波電路內(nèi)環(huán)控制的輸入信號。Boost升壓斬波電路內(nèi)環(huán)控制器的輸出信號與三角載波比較并形成Boost升壓斬波電路開關(guān)器件的PWM脈沖控制信號。三相光伏逆變器內(nèi)環(huán)電流控制器模型，采用比例積分控制，實現(xiàn)輸出電流ia，ib，ic對參考信號的跟蹤控制，將三相光伏逆變器內(nèi)環(huán)電流控制器的輸出信號與三角載波比較并形成三相逆變電路各開關(guān)器件PWM脈沖控制信號，從而實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制以及在電網(wǎng)故障情況下對電網(wǎng)動態(tài)無功功率支撐的目標。

3 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及算法流程

接下來建立概率模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，求取三相逆變器注入電網(wǎng)的有功和無功電流參考值。概率模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的計算流程如圖3所示，概率模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器包括6層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：第1層為輸入層、第2層為隸屬度層、第3層為概率層、第4層為TSK模糊推理機制層、第5層為規(guī)則層、第6層為輸出層；在隸屬度層中，每個節(jié)點采用不對稱高斯函數(shù)實現(xiàn)模糊化運算［14-15］。

圖3 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器模型及算法流程Fig.3 Flow chart of themode of fuzzy neutral network controller and its algorithm

定義第j個模糊If-Then規(guī)則表示如下：

式中xi，i=1，2為概率模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的輸入，M1j和M2j為模糊集，Tk為TSK模糊推理機制，cik為可調(diào)節(jié)的權(quán)系數(shù)；

第1層（輸入層）：輸入層的節(jié)點將輸入變量xi，i=1，2，傳遞到第2層，輸入層的節(jié)點輸入信號和輸出信號之間的關(guān)系如下：

第2層（隸屬度層）：本層每個節(jié)點采用不對稱高斯函數(shù)實現(xiàn)模糊化運算，節(jié)點輸入信號和輸出信號之間的關(guān)系表示如下：

式中mj2為第i個輸入變量第j項不對稱高斯函數(shù)的均值和別為第i個輸入變量第j項不對稱高斯函數(shù)的左側(cè)標準差和右側(cè)標準差，yj2為第2層節(jié)點的輸出變量；

第3層（概率層）：第3層的節(jié)點輸入輸出關(guān)系如下：

式中Pjp（N）對應(yīng)于第j個輸入變量第p個節(jié)點的輸出信號，和分別對應(yīng)于第j個輸入變量第p個節(jié)點不對稱高斯函數(shù)的均值和標準差；為了減小計算量，可以將和設(shè)置成常數(shù)，當p=1時，-1；當 p=2時，當 p=3時，

第4層（TSK模糊推理機制層）：本層中，輸出信號為輸入信號的線性組合，第k個節(jié)點的輸出信號為［14］：

式中cik為可調(diào)節(jié)的權(quán)系數(shù)，xi為輸入變量，N為迭代次數(shù)；

第5層（規(guī)則層）：本層第一部分為第2層和第3層節(jié)點輸出信號yj2（N）和Pjp（N）的乘積，因此本層第一部分第k個節(jié)點的輸出信號可表示為：

式中Sj（N）為第3層節(jié)點輸出信號Pjp（N）的乘積，對應(yīng)于第2層的第j個節(jié)點；

本層第二部分為第5層輸出信號表達式，即為第一部分輸出信號ykI（N）與第4層輸出信號 Tk（N）的乘積，因此第k個節(jié)點的輸出信號可表示為：

式中yko表示規(guī)則層第k個節(jié)點的輸出信號；

第6層（輸出層）：本層由一個節(jié)點O構(gòu)成，計算所有上層節(jié)點輸出信號的加權(quán)累加效應(yīng)，其數(shù)學模型表示為：

式中wk6（N）表示第k個模糊化規(guī)則對第o個輸出信號作用強度的權(quán)系數(shù)，yko（N）為第6層節(jié)點的第k個輸入信號；yo6（N）=iq*為光伏逆變器注入的有功電流，yo6（N）=id*為光伏逆變器注入電網(wǎng)的無功電流。

在上述步驟基礎(chǔ)上，建立概率模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的誤差后向傳播學習算法機制，構(gòu)造一個梯度向量，使得其中每一個元素均為能量函數(shù)相對于算法參數(shù)的一階微分，從而完成概率模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)在線自整定。參數(shù)和初始值分別設(shè)置為0，1，1，1；參數(shù)初始值分別設(shè)置為 -1，0，1，-1，0，1；學習率 η1～η5初始值均為零［15］。

4 仿真與分析

4.1 模型

為了驗證本文提出的基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功率控制策略的有效性，在Matlab/Simulink平臺搭建了如圖1所示的并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型［14］。額定功率45 kW，額定電壓有效值為220 V，逆變器直流母線電容電壓為750 V，并網(wǎng)電感L=0.5mH，逆變器直流母線電容Cdc=1.2 mF，開關(guān)頻率為10 kHz。

為了驗證光伏發(fā)電系統(tǒng)在模式I和模式II情況下對電網(wǎng)故障的穿越特性，首先構(gòu)造如圖4所示的電網(wǎng)跌落工況。其中，在t＜0.1 s時，電網(wǎng)三相電壓對稱，在t=0.1 s時，電網(wǎng)B、C相同時發(fā)生0.3 pu的電壓跌落，持續(xù)時間為0.25 s，隨后電網(wǎng)電壓恢復(fù)到額定值。圖4給出了上述跌落工況的三相電壓波形及其標幺值波形，下面根據(jù)光伏陣列出力大小分別給出模式I和模式II情況下光伏發(fā)電系統(tǒng)有功功率和無功功率出力波形。

4.2 模式I仿真

如圖5所示，當光伏陣列輸出功率為6 kW時，光伏陣列輸出的有功功率小于逆變器允許的最大功率限制值Pmax。據(jù)前文理論分析得知，電網(wǎng)電壓跌落0.3 pu時逆變器有功出力的限制值約為16 kW，因此可將光伏陣列的有功功率率全部注入電網(wǎng)。將三相逆變器電流控制在最大允許值Imax以內(nèi)，Boost升壓斬波電路工作在最大功率點跟蹤模式（MPPT）。圖5中瞬時無功功率波動由電網(wǎng)電壓不對稱引起，其平均值約為30 kVar，此部分無功功率可用于對電網(wǎng)的動態(tài)無功支撐，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。當t＞0.35 s時，電網(wǎng)電壓恢復(fù)到額定值，此時無功功率參考值和實際值降低到零。

圖4 PCC點電網(wǎng)電壓及其標幺值波形圖Fig.4 Waveform diagram of PCC grid voltage and its PU

圖5 模式I工況下光伏發(fā)電系統(tǒng)出力特性Fig.5 Output characteristic of PV generation system under the working conditions ofmode I

4.3 模式II仿真

如圖6所示，當光伏陣列輸出功率為26 kW時，光伏陣列輸出的有功功率大于逆變器允許的最大功率限制值Pmax。據(jù)前文理論分析得知，電網(wǎng)電壓跌落0.3 pu時逆變器有功出力的限制值約為16 kW，此時Boost升壓斬波電路暫停最大功率點跟蹤，并開始跟蹤功率P*，Boost升壓斬波電路與三相逆變器之間的功率不均衡問題通過控制三相逆變器直流母線電壓來解決。在圖6所示的電網(wǎng)發(fā)生0.3 pu兩相跌落時，逆變器的有功出力被限制到最大允許值的16 kW，此時注入系統(tǒng)的瞬時無功功率在零上下波動，其平均值為零。實現(xiàn)了光伏發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越功能，同時保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。當t＞0.35 s時，電網(wǎng)電壓恢復(fù)到額定值，此時有功功率參考值和實際值恢復(fù)到光伏陣列的實際功率。

圖6 模式II工況下光伏發(fā)電系統(tǒng)出力特性Fig.6 Output characteristic of PV generation system under the working conditions ofmode II

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障條件下穿越控制策略的不足，提出一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光伏發(fā)電系統(tǒng)功率控制方法。在電網(wǎng)電壓突變和跌落情況下能夠快速地調(diào)整光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作模式，以適應(yīng)光伏陣列最大輸出功率和并網(wǎng)逆變器額定容量及最大輸出電流的限制，具有穩(wěn)定性強、跟蹤速度快等優(yōu)點。給出了控制策略總體架構(gòu)，詳細闡述了電網(wǎng)故障控制器運行模式切換策略，建立了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的數(shù)學模型和實現(xiàn)流程，并在Matlab/Simulink平臺下搭建了仿真模型，最后在該模型上驗證了所提出控制策略的有效性。