基于模糊控制的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的特性分析

劉頔, 崔一然, 徐紅梅

(延邊大學(xué) 工學(xué)院,吉林 延吉 133002)

0 引言

隨著光伏(photovoltaic,PV)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和不斷成熟,利用光伏發(fā)電已成為我國(guó)能源轉(zhuǎn)型的重要方式之一.但在目前的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中,如何控制好直流母線電壓和保證光伏電源與負(fù)載之間能量的有效傳輸仍是亟需解決的問(wèn)題[1].為此,一些學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究.例如:2021年,Cabrane等[2]采用電池和超級(jí)電容器構(gòu)建了一種具有混合儲(chǔ)能功能的儲(chǔ)能系統(tǒng),該系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)新設(shè)計(jì)的PI控制器來(lái)穩(wěn)定直流母線電壓和控制Buck-Boost變換器.仿真結(jié)果證明,該系統(tǒng)能有效保持直流母線電壓的穩(wěn)定.2023年,J.Heidary等[3]提出了一種自抗擾控制方法.該方法利用能源管理系統(tǒng)來(lái)保持直流母線電壓的穩(wěn)定,利用逆變器來(lái)控制微電網(wǎng)內(nèi)部的電壓、頻率和功率;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該控制方法的性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的PI控制器.但在自抗擾控制器的相關(guān)研究中,由于涉及的可調(diào)參數(shù)較多,整定復(fù)雜,因此如何進(jìn)一步提高參數(shù)的適應(yīng)性和改善系統(tǒng)的魯棒性仍需進(jìn)一步研究.為此,本文提出了一種自抗擾控制策略(在電流內(nèi)環(huán)采用雙向變換器線性自抗擾控制策略,在電壓外環(huán)采用模糊自抗擾控制策略),并分析了不同干擾因素(環(huán)境溫度、光照、負(fù)載不確定等)對(duì)直流母線電壓的影響.

1 光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.1 獨(dú)立光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種將光伏發(fā)電和儲(chǔ)能設(shè)備相結(jié)合的系統(tǒng).目前,光伏發(fā)電系統(tǒng)主要可分為3類:獨(dú)立光伏系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏系統(tǒng)以及混合光伏系統(tǒng)[4].在獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)中,為解決由天氣因素而導(dǎo)致的發(fā)電量波動(dòng)、發(fā)電效率低、能量不足等問(wèn)題,系統(tǒng)必須通過(guò)配備儲(chǔ)能介質(zhì)來(lái)儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)能量[5].在傳統(tǒng)的獨(dú)立光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中,儲(chǔ)能介質(zhì)與直流母線直接相連接;但由于其在充放電時(shí)的電流難以得到有效的控制,因此當(dāng)負(fù)載突變時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能介質(zhì)的充放電的電流過(guò)大,進(jìn)而導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)的損壞:因此,需要在系統(tǒng)直流母線和儲(chǔ)能介質(zhì)之間插入一個(gè)DC/DC 變換器,以控制儲(chǔ)能介質(zhì)能夠平穩(wěn)地充放電[6].

常見(jiàn)的獨(dú)立光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示.系統(tǒng)由分布式電源、DC/DC 變換器、負(fù)載、儲(chǔ)能裝置(一般為蓄電池)組成.分布式電源由光伏陣列組成.光伏陣列通過(guò)DC/DC 升壓變換器與直流母線相連接,其中DC/DC 升壓變換器用于控制儲(chǔ)能裝置的充放電,以此來(lái)穩(wěn)定直流母線電壓和最大功率點(diǎn)追蹤(maximum power point tracking,MPPT)[7].

圖1 獨(dú)立光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 雙向DC/DC變換器的工作原理

雙向DC/DC變換器是在單向Buck或Boost變換器基礎(chǔ)上構(gòu)建的,其電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示.該變換器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)[8].

圖2 雙向Buck-Boost電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)雙向DC/DC 變換器處于降壓模式時(shí),開(kāi)關(guān)管S1以PWM 方式工作,開(kāi)關(guān)管S2截止.此時(shí),該變換器相當(dāng)于一個(gè)單向Buck電路,能量從直流母線端流向負(fù)載端,即儲(chǔ)能介質(zhì)處于充電狀態(tài).當(dāng)雙向DC/DC 變換器處于升壓模式時(shí),開(kāi)關(guān)管S1截止,開(kāi)關(guān)管S2以PWM 方式工作.此時(shí),該變換器相當(dāng)于一個(gè)單向Boost電路,能量從負(fù)載端流向直流母線端,即儲(chǔ)能介質(zhì)處于放電狀態(tài)[9].當(dāng)直流母線電壓值處于給定的范圍內(nèi)時(shí),該變換器停止工作,即儲(chǔ)能介質(zhì)處于待機(jī)模式.

2 模糊自抗擾控制器的設(shè)計(jì)

2.1 自抗擾控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖3為基于自抗擾控制的雙向DC/DC 變換器的控制結(jié)構(gòu)圖.其中,電壓外環(huán)采用模糊自抗擾控制器,電流內(nèi)環(huán)采用線性自抗擾控制器.雙向DC/DC變換器的工作模式由電流環(huán)的電流給定值(Iref)確定[10].當(dāng)Iref<0時(shí),雙向DC/DC變換器在Buck模式下工作.此時(shí)直流母線電壓的實(shí)際值大于給定值,能量從直流母線端流向儲(chǔ)能介質(zhì)端.當(dāng)Iref>0時(shí),雙向DC/DC 變換器在Boost模式下工作.此時(shí)直流母線電壓的給定值大于實(shí)際值,能量從儲(chǔ)能介質(zhì)端流向直流母線端[11].

圖3 雙向DC/DC變換器的控制結(jié)構(gòu)

2.2 模糊自抗擾控制的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

研究表明,將自抗擾控制算法與模糊控制算法相結(jié)合的模糊自抗擾控制策略不僅可以有效控制直流母線電壓的穩(wěn)定,而且還可以提高控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力和魯棒性[12].模糊自抗擾控制器的控制結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 模糊自抗擾控制器的控制結(jié)構(gòu)

研究顯示,利用模糊自抗擾控制器在線調(diào)整控制量參數(shù),不僅可以使系統(tǒng)能夠適應(yīng)復(fù)雜的外圍環(huán)境,而且還可以獲得更穩(wěn)定的控制效果[13].因此,本文在模糊自抗擾控制器中設(shè)置了2個(gè)控制量參數(shù)(β1和β2),并設(shè)定模糊控制器的輸入量(k1)和輸出量(k2)為觀測(cè)器的增益誤差.由此,基于模糊控制的線性自抗擾控制器(fuzzy-LADRC)的參數(shù)β1和β2可重新定義為:

3 光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的特性分析

為驗(yàn)證fuzzy-LADRC 控制器對(duì)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的有效性,本文應(yīng)用Matlab/Simulink平臺(tái)建立了一個(gè)獨(dú)立的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng),同時(shí)在系統(tǒng)的電壓外環(huán)中分別設(shè)計(jì)了3種控制方式:傳統(tǒng)PI控制方式、LADRC 控制方 式 和fuzzy-LADRC 控 制 方式.仿真參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 仿真參數(shù)

3.1 3種控制器的跟蹤性能分析

為對(duì)比3種控制器的跟蹤性能,在穩(wěn)態(tài)情況下對(duì)系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了測(cè)試.系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù):光照強(qiáng)度為1000W/m2,電池溫度為25℃.

圖5為穩(wěn)態(tài)時(shí)3種控制器的跟蹤性能.由圖5可以看出:本文提出的fuzzy-LADRC控制器與傳統(tǒng)PI控制器、LADRC 控制器相比,幾乎沒(méi)有超調(diào)現(xiàn)象,并且調(diào)節(jié)時(shí)間極快(0.005s).這表明,fuzzy-LADRC控制器具有良好的跟蹤性能.

圖5 穩(wěn)態(tài)時(shí)3種控制器的跟蹤性能

3.2 不同光照強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)魯棒性的影響

圖6為光照突變時(shí)3種控制器的魯棒性(在0.4s處加入光照突變,光照強(qiáng)度從600W/m2突變至1000 W/m2).由圖6 可以看出:fuzzy-LADRC控制器的電壓增量和調(diào)節(jié)時(shí)間顯著低于傳統(tǒng)PI控制器和LADRC控制器.當(dāng)光照強(qiáng)度從1000W/m2恢復(fù)到600W/m2時(shí),fuzzy-LADRC控制器在電壓過(guò)沖和暫態(tài)恢復(fù)時(shí)間上仍優(yōu)于傳統(tǒng)PI控制器和LADRC 控制器.這表明,在光照強(qiáng)度發(fā)生突變時(shí),fuzzy-LADRC控制器能夠有效抑制其給系統(tǒng)帶來(lái)的波動(dòng).

圖6 光照突變時(shí)3種控制器的魯棒性

3.3 不同電池溫度對(duì)系統(tǒng)魯棒性的影響

圖7 為電池溫度變化時(shí)3 種控制器的魯棒性.由圖7可以看出:在溫度擾動(dòng)的情況下3種控制方式雖都可以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行,但fuzzy-LADRC控制器在電池溫度突然下降時(shí),其電壓下沖和超調(diào)量明顯小于傳統(tǒng)PI控制器和LADRC控制器.這表明,在不同電池溫度下,fuzzy-LADRC控制器能使直流母線電壓快速恢復(fù),比其他2種方式更能有效地保持儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

圖7 電池溫度變化時(shí)3種控制器的魯棒性

3.4 不同負(fù)載變化對(duì)系統(tǒng)魯棒性的影響

圖8為負(fù)載變化時(shí)3種控制器的魯棒性(在0.6s時(shí)將電阻由50Ω 跳變至70Ω).由圖8可以看出:在負(fù)載發(fā)生跳變的情況下,fuzzy-LADRC控制器的電壓波形范圍和調(diào)節(jié)時(shí)間明顯優(yōu)于PI控制器和LADRC控制器.這表明,在不同負(fù)載變化下,fuzzy-LADRC控制器能夠有效抑制負(fù)載擾動(dòng)給系統(tǒng)帶來(lái)的波動(dòng).

圖8 負(fù)載變化時(shí)3種控制器的魯棒性

4 結(jié)論

對(duì)本文提出的fuzzy-LADRC 控制器進(jìn)行研究顯示,該控制器對(duì)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的外部干擾具有良好的魯棒性,且可提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率;因此,該控制器可為光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究提供良好參考.在今后的研究中,我們將結(jié)合其他控制方法以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制效率和穩(wěn)定性.