參與微電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的光伏發(fā)電系統(tǒng)模糊自適應(yīng)功率控制

李忠文, 吳龍, 程志平, 賈東強, 孫浩鋒

(1.鄭州大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,河南 鄭州 450001; 2.國網(wǎng)河南省電力公司許昌供電公司,河南 許昌 461000)

0 引 言

近年來,隨著人類對清潔能源需求和環(huán)境保護(hù)意識的不斷提高,光伏、風(fēng)能等新能源在世界范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展[1]。由于光伏(photovoltaic,PV)發(fā)電具有可再生、無噪聲、易控制和成本逐年降低等優(yōu)點,因此在微電網(wǎng)中迅速發(fā)展[2]。然而,PV發(fā)電通常采用電力電子變換器與電網(wǎng)連接,導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)的慣量和阻尼特性降低。PV大規(guī)模接入微電網(wǎng)會降低系統(tǒng)的抗干擾能力和調(diào)頻能力[3],微電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行將面臨巨大挑戰(zhàn)[4]。為了解決在高PV滲透率下,系統(tǒng)的低慣量和低阻尼特性等問題,電力行業(yè)迫切需要PV發(fā)電系統(tǒng)能夠有效參與微電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)[5-6]。

針對高PV滲透給電力系統(tǒng)帶來低慣量和低阻尼特性的問題[7],國內(nèi)外學(xué)者提出了一系列解決方法。例如微電網(wǎng)安裝儲能系統(tǒng)[8-9]、調(diào)節(jié)需求側(cè)負(fù)荷和消減供電側(cè)PV發(fā)電量[10]等?；谖㈦娋W(wǎng)安裝儲能系統(tǒng)的方法,PV陣列通常運行在最大功率點追蹤(maximum power point tracking,MPPT)模式,系統(tǒng)只能通過儲能裝置參與微電網(wǎng)頻率的調(diào)節(jié)[11-12]。該方法雖然能夠雙向抑制頻率的波動,但目前儲能設(shè)備使用壽命較短且安裝和維護(hù)成本較高[13-14],不易大規(guī)模采用?；谡{(diào)節(jié)需求側(cè)負(fù)荷的方法,通常根據(jù)PV發(fā)電量實時調(diào)節(jié)非關(guān)鍵負(fù)荷的離/并網(wǎng)狀態(tài)[15]。然而,該方法容易導(dǎo)致負(fù)荷反復(fù)投切和能源利用率不高的問題?；赑V消減的方法,通常將PV陣列偏離最大功率點運行,使PV保留一定的功率儲備,通過改變PV有功輸出可快速提供頻率響應(yīng)[16]。與上述調(diào)頻方法相比,該方法有更迅速的響應(yīng)速度和更低的經(jīng)濟(jì)成本。因此,本文計劃研究PV自適應(yīng)發(fā)電控制策略,通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)PV發(fā)電量參與微電網(wǎng)頻率的調(diào)節(jié)。

主要教學(xué)內(nèi)容：自主選擇企業(yè)，運用課程知識，系統(tǒng)解決在現(xiàn)場遇到的實際問題。教學(xué)地點：實習(xí)基地或就業(yè)單位。教學(xué)課時：14周。

基于PV消減的調(diào)節(jié)策略具有成本低、穩(wěn)定性強、算法簡單等優(yōu)點,國內(nèi)外學(xué)者近幾年給予密切關(guān)注。其中文獻(xiàn)[17]提出了一種消減功率—電流曲線的功率儲備控制策略,該策略不需要傳感器就能夠跟蹤不同天氣條件下給定的功率儲備比。然而,該算法比較復(fù)雜,在實際應(yīng)用中不易實現(xiàn)。文獻(xiàn)[18]提出了雙有功—頻率下垂控制算法,該算法能夠根據(jù)頻率變化的幅度和速度改變下垂特性進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。然而,該算法需要增加小型PV模型并測量其開路電壓或短路電流,增加了模型復(fù)雜性和系統(tǒng)成本。文獻(xiàn)[19]采用時間序列分析方法,對PV發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模,通過時間序列模型預(yù)測太陽輻照度,這將增加系統(tǒng)的計算量和響應(yīng)時間。文獻(xiàn)[20]提出了變減載參與微電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的控制方法,該方法結(jié)合離線擬合和在線功率跟蹤,根據(jù)電網(wǎng)頻率波動改變減載率,能夠雙向調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率。然而,離線曲線擬合存在不準(zhǔn)確性,可能導(dǎo)致頻率調(diào)節(jié)出現(xiàn)偏差。文獻(xiàn)[21-22]通過對微電網(wǎng)中控制增益和調(diào)頻參數(shù)的設(shè)計研究。然而,隨著電網(wǎng)情景的變化,上述參數(shù)需要不斷重新設(shè)置。文獻(xiàn)[23]通過對高PV滲透率下電網(wǎng)動態(tài)頻率特性的研究,對電網(wǎng)動態(tài)頻率惡化趨勢提出應(yīng)對措施。文獻(xiàn)[24]通過設(shè)計PV并網(wǎng)逆變器的控制策略,實現(xiàn)PV陣列參與微電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)。但對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響和虛擬慣量時間常數(shù)的整定有待進(jìn)一步研究。

模糊控制器具有強魯棒性,不需要精確的數(shù)學(xué)模型,易于設(shè)計等優(yōu)點[30],該控制策略被廣泛用于解決電力系統(tǒng)的電壓頻率控制問題。文獻(xiàn)[25]采用模糊控制策略監(jiān)測儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)并決策出當(dāng)前雙向DC-DC變換器的參考電流進(jìn)行調(diào)頻,然而設(shè)計的模糊控制器為五隸屬度函數(shù),與本文提出的七隸屬度函數(shù)模糊控制策略相比控制精度較低。文獻(xiàn)[26]采用基于模糊PID的下垂控制策略代替?zhèn)鹘y(tǒng)下垂控制策略以補償風(fēng)電場參與調(diào)頻對電力系統(tǒng)總慣性的影響。然而,系統(tǒng)加入的自動電壓調(diào)節(jié)回路與頻率控制之間存在弱耦合,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[27]提出一種基于頻率信號的模糊控制對孤島微電網(wǎng)能量管理的監(jiān)督控制,模糊控制器通過調(diào)節(jié)PV產(chǎn)生的功率和輔助機組的補充功率來抑制頻率的波動。但該研究僅局限于微電網(wǎng)的孤島模式,并不適用微電網(wǎng)并網(wǎng)運行的情景。文獻(xiàn)[28]提出了一種自適應(yīng)分?jǐn)?shù)階模糊控制策略,對動態(tài)完全未知的交流微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行頻率控制,此方法采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),粒子群和人工蜂群等算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,這增加了系統(tǒng)的響應(yīng)時間和計算復(fù)雜度,并容易陷入局部最優(yōu)。文獻(xiàn)[29]提出了一種具有智能學(xué)習(xí)PV貢獻(xiàn)的自適應(yīng)模糊下垂模型,以減小系統(tǒng)變化引起的微電網(wǎng)頻率偏移問題。但這種方法需要輻照度傳感器、最大功率點(maximum power point,MPP)估計器和儲能系統(tǒng),增加了系統(tǒng)的投資和維護(hù)成本。文獻(xiàn)[30]提出一種基于模糊控制的PV發(fā)電和電動汽車并網(wǎng)的頻率控制策略,但該策略沒有考慮電力系統(tǒng)中的參數(shù)不確定性問題。針對上述研究的不足,本文提出光伏發(fā)電參與微電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的模糊自適應(yīng)功率點追蹤 (fuzzy adaptive power point tracking,FAPPT)控制策略,不需要MPP估計器、儲能系統(tǒng)和詳細(xì)的PV模型,通過控制PV輸出功率指令實現(xiàn)PV陣列自適應(yīng)降功率運行,使PV發(fā)電有效參與微電網(wǎng)頻率的雙向調(diào)節(jié)。

Spearman相關(guān)分析顯示，舟山市ILI周發(fā)病人數(shù)與前4周平均氣壓、周日照時數(shù)和前2周平均極大風(fēng)速呈正相關(guān) （r=0.180、0.258和 0.170，P均＜0.05），與周平均降水量和周平均相對濕度呈負(fù)相關(guān)（r=-0.266 和-0.180，P 均＜0.05），而與周平均氣溫、周平均最高氣溫、周平均最低氣溫、周平均日溫差、周平均水汽壓、周平均風(fēng)速均無線性相關(guān)關(guān)系 （P＞0.05），見表 2。

1 光伏發(fā)電控制策略

1.1 Buck-Boost型DC/DC變換器控制

由于Buck-Boost型DC/DC變換器具有較寬的電壓調(diào)節(jié)范圍,可升降電壓幅值,而PV陣列經(jīng)常受到環(huán)境影響導(dǎo)致其輸出電壓幅值高于或低于電網(wǎng)電壓幅值,PV陣列并網(wǎng)時需通過Buck-Boost型DC/DC變換器調(diào)節(jié)PV陣列輸出電壓幅值使其等同于電網(wǎng)側(cè)電壓幅值。因此,采用Buck-Boost型DC/DC變換器進(jìn)行調(diào)壓。Buck-Boost型DC/DC變換器運行在FAPPT模式下的控制策略如圖1所示。FAPPT模式是通過模糊控制器[32]自適應(yīng)調(diào)節(jié)PV陣列的功率輸出,其詳細(xì)介紹由下文2.1節(jié)給出。調(diào)節(jié)原理由下式得:

(1)

式中:當(dāng)充電占空比D=0.5時,DC/DC變換器輸入電壓Vin和輸出電壓Vo其值相等,DC/DC變換器不升壓也不降壓;當(dāng)充電占空比為0

圖1中,首先通過采集PV陣列電壓Vpv和PV陣列電流Ipv計算出dIpv/dVpv,然后再與參考功率Ppv,ref共同輸入到FAPPT控制器中得到PV電壓參考指令Vpv,ref。接著通過基于PI電壓電流環(huán)控制器調(diào)節(jié)PV陣列的實際電壓追蹤參考電壓Vpv,ref,產(chǎn)生電壓信號U。最后通過PWM控制器生成控制信號調(diào)節(jié)Buck-Boost型DC/DC變換器。Buck-Boost型DC/DC變換器在MPPT模式運行時,控制結(jié)構(gòu)與圖1相似,只需將FAPPT算法替換為對應(yīng)的MPPT算法即可。

1.2 DC/AC并網(wǎng)逆變器控制

通過DC/AC并網(wǎng)逆變器將DC/DC變換器的直流輸出轉(zhuǎn)換為交流輸出,PV陣列才能集成到交流微電網(wǎng)中。通常情況下,控制DC/AC逆變器的目的是為了穩(wěn)定直流鏈電壓和調(diào)節(jié)無功[33]。為了實現(xiàn)這一目的,在dq旋轉(zhuǎn)參考系中采用基于PI的矢量控制策略控制DC/AC并網(wǎng)逆變器[34],其矢量控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2由外部直流鏈電壓/無功控制環(huán)和內(nèi)部電流控制環(huán)構(gòu)成。在dq旋轉(zhuǎn)參考系中,外部d軸控制環(huán)控制直流鏈電壓或有功功率,而外部q軸控制環(huán)控制無功功率。內(nèi)部電流控制環(huán)通過調(diào)節(jié)公共耦合點處的實際電流id、iq來追蹤外部直流鏈電壓/無功控制環(huán)產(chǎn)生的參考電流id,ref、iq,ref,實現(xiàn)控制DC/AC并網(wǎng)逆變器。

圖2 DC/AC并網(wǎng)逆變器控制原理圖Fig.2 Control schematics of grid-connected DC/AC inverter

1.3 改進(jìn)電導(dǎo)增量MPPT算法

根據(jù)傳統(tǒng)電導(dǎo)增量MPPT控制算法和文獻(xiàn)[35],本節(jié)設(shè)計出改進(jìn)的MPPT控制算法。PV電池在不同輻照度下的P-V特性曲線如圖3所示。在圖3中,設(shè)環(huán)境溫度T=25 ℃恒定,給出5個不同Irr數(shù)據(jù),圖中Irr曲線從上往下依次減小200 W/m2,其圖3中最上面曲線的Irr為1 000 W/m2,光伏MPP會隨著Irr的減小而降低,本節(jié)以光照強度Irr=1 000 W/m2為例進(jìn)行分析,當(dāng)PV陣列運行在MPPT時應(yīng)滿足

圖3 不同輻照度PV功率—電壓特性曲線Fig.3 Photovoltaic power-voltage characteristic curves of different irradiance

(2)

根據(jù)式(2)可推導(dǎo)出

改進(jìn)電導(dǎo)增量MPPT算法的參考電壓Vpv,ref調(diào)整規(guī)則參考文獻(xiàn)[35]。

In order to have better insight into the operation of the proposed MOSFET structure, the physics based compact analytical model of the surface potential and threshold voltage has been presented in this section.

(3)

其中:Vpv、Ipv分別表示PV陣列的輸出電壓和輸出電流;Ppv表示PV陣列輸出功率。PV陣列運行在MPP時,則dPpv/dVpv=0,推出電導(dǎo)關(guān)系為

(4)

(5)

其中:sat()表示飽和函數(shù);H=dPpv/dVpv;系數(shù)α>0,β>0。式(5)采用飽和函數(shù)sat()代替文獻(xiàn)[35]的符號函數(shù)sgn()。其中飽和函數(shù)sat()為:

Unity3D是一款面向組件的開發(fā)引擎，一個工程由多個場景構(gòu)成，每一個場景中的所有物體都被稱為游戲?qū)ο?，對每一個游戲?qū)ο髞碚f，通過對其添加組件的方式來實現(xiàn)游戲?qū)ο蟮母鞣N功能，即游戲?qū)ο蟮乃泄δ芏家ㄟ^組件來實現(xiàn)。腳本是一種特殊的組件，通過添加到游戲?qū)ο笊蟻韺崿F(xiàn)用戶自定義的一些功能。在設(shè)計一個游戲?qū)ο蟮木唧w功能時，可以將組件分為3個層次，從低到高分別為：基礎(chǔ)組件，指的是Unity3D提供的內(nèi)部功能組件，如物理組件、聲音組件、渲染組件等；模塊功能腳本組件是通過腳本實現(xiàn)的、相對獨立的、可重用的功能模塊組件；高層的整合代碼腳本，這些腳本將引擎基礎(chǔ)組件和模塊功能組件整合到一起，實現(xiàn)最終游戲?qū)ο筮壿嫛?/p>

(6)

在微電網(wǎng)中的PV陣列通常運行在MPPT模式,導(dǎo)致系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性變差,為了使PV發(fā)電能夠有效參與微電網(wǎng)頻率的調(diào)節(jié),本文提出一種FAPPT控制算法。PV陣列采用FAPPT算法可以偏離最大功率點運行,從而提供一定的功率儲備,以便系統(tǒng)頻率波動時能夠自適應(yīng)改變有功輸出參與頻率調(diào)節(jié)。為了實施上述控制策略,設(shè)計了圖4所示控制結(jié)構(gòu),其中每兩簇PV陣列為一組,每簇PV陣列通過一臺前級Buck-Boost型DC/DC變換器建立直流母線電壓,然后每相鄰兩臺Buck-Boost型DC/DC變換器并聯(lián)后通過DC/AC逆變器接入微電網(wǎng)。圖4中1號Buck-Boost型DC/DC變換器采用1.3節(jié)提出的電導(dǎo)增量MPPT控制算法使PV陣列運行在MPPT模式;2號Buck-Boost型DC/DC變換器采用本節(jié)提出的FAPPT控制算法運行。運行在MPPT模式的1號DC/DC變換器可以從PV陣列中汲取最大光伏輸出功率。假設(shè)兩簇PV陣列地理位置相鄰,一般情況下具有相似的輻照度及溫度條件。因此,通過測量1號DC/DC變換器的PV陣列運行在MPPT模式下的最大輸出功率,可以獲得2號DC/DC變換器的PV陣列運行在FAPPT模式下的可用最大功率參考指令[36-37]。這種結(jié)構(gòu)具有不需要輻照度傳感器和MPP估計器的優(yōu)點。運行在FAPPT模式的PV陣列將保留一定的功率儲備,并根據(jù)給定參考功率Ppv,ref實時補償微電網(wǎng)功率不平衡,來參與微電網(wǎng)頻率雙向調(diào)節(jié)。

其中:ep=Ppv,ref-Ppv;kp和ki分別為PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。

(7)

表6數(shù)據(jù)顯示sig=0.000實驗組和對照組平均值為4.92和0.98，說明兩組差距顯著，使用移動終端軟件學(xué)習(xí)詞匯有多種輸入方式和方法，據(jù)調(diào)查，滬江開心詞場的APP軟件包括了真人發(fā)音，英翻漢，漢翻英，選詞填空，等多種練習(xí)方式，以游戲或者競賽的方式進(jìn)行。而傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式完全依靠學(xué)生自身的學(xué)習(xí)方式創(chuàng)造性，而很多練習(xí)需要另外一個人配合才能完成，實行起來難度較大。

2 自適應(yīng)功率點追蹤算法

2.1 自適應(yīng)算法的設(shè)計

其中γ為飽和函數(shù)的系數(shù),定義Δ為0.001。

圖4 PV發(fā)電系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)Fig.4 Control structure of a PV generation system

針對以上情況，本項目對下橫梁同步及異步施工工藝對塔柱受力的影響進(jìn)行分析復(fù)核，并采取在下橫梁上部塔柱上增設(shè)主動水平橫的輔助措施。

Ppv,ref=(1-ρ)Ppv,mpp。

(8)

其中:ρ表示功率儲備系數(shù),取值范圍為0≤ρ≤0.6;Ppv,mpp表示本地PV陣列最大潛在發(fā)電功率參考,由于相鄰PV組之間的輻照度、溫度等環(huán)境條件非常相似,因此認(rèn)為相鄰PV組每單位的本地最大潛在功率Ppv,mpp相同。通過測量運行在MPPT模式下PV陣列的輸出功率,即可得到運行在FAPPT模式下PV陣列的本地最大潛在功率Ppv,mpp。因此,PV陣列運行在FAPPT模式時無需輻照度傳感器及MPP估計器,可降低系統(tǒng)的運行和維護(hù)成本,并且可以避免MPP估計器所帶來的功率預(yù)測誤差。

由圖3光伏功率—電壓特性曲線可得,PV陣列最初輸出功率Ppv可能高于或低于參考功率Ppv,ref。當(dāng)PV陣列輸出功率Ppv≤Ppv,ref時,PV陣列運行在MPPT模式并增加有功輸出,直到PV陣列輸出功率Ppv=Ppv,ref時,PV陣列從MPPT模式切換到FAPPT模式。當(dāng)Ppv>Ppv,ref時,FAPPT控制算法通過以下2種情況進(jìn)行設(shè)計。

基于上述分析,當(dāng)Ppv>Ppv,ref時,定義提出的模糊自適應(yīng)PPT控制算法的控制變量為

(9)

根據(jù)式(5)可定義PV參考電壓Vpv,ref為

雷鋼，帶妹妹進(jìn)臥室去。雷志雄說。雷鋼和雷紅，沒叫一聲媽媽，連看也沒看她一眼，便進(jìn)了臥室。雷鋼，雷紅。見兒女們不認(rèn)，她急了，高聲喊。雷鋼和雷紅仍沒反應(yīng)，像沒聽到似的，或者壓根兒就沒她這個媽媽。雷鋼還把房門也關(guān)了起來。她瘋了似地?fù)溥^去，想把門推開，里面早被雷鋼扣起來了。雷鋼，雷紅，我是你們媽媽，媽媽想你們，開開門讓媽媽看看你們。一邊哭一邊喊。

為實現(xiàn)MPPT控制模式到FAPPT控制模式的無縫切換,需要保持2個控制器的積分器狀態(tài)始終同步。以上提出的MPPT控制算法和FAPPT控制算法無縫切換流程圖如圖5所示。

教育研究中，主要關(guān)心的是兩個或多個變量之間是否存在某種關(guān)系.例如，個體的數(shù)學(xué)閱讀成績與邏輯思維能力之間是否存在內(nèi)在聯(lián)系？單憑經(jīng)驗，人們可以認(rèn)為兩者之間有聯(lián)系，但是從研究的角度看，必須要用一定的方法和數(shù)據(jù)去驗證它們之間的確存在內(nèi)在聯(lián)系.相關(guān)性研究，就是處理這類問題的一種方法.

圖5 MPPT算法與FAPPT算法無縫切換流程圖Fig.5 Seamless switching flowchart of the MPPT algorithm and the FAPPT algorithm

2.2 模糊控制器的設(shè)計

在PV系統(tǒng)中,根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)頻率特性和本地最大潛在功率狀態(tài)值來響應(yīng)調(diào)頻需求是一個非常復(fù)雜的過程,其數(shù)學(xué)模型難以精確建立,由于模糊邏輯控制無需精確的數(shù)學(xué)模型[30],故本節(jié)提出了功率儲備系數(shù)模糊自適應(yīng)調(diào)節(jié)算法,該算法可以實時補償系統(tǒng)功率不平衡,維持微電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。

5)考慮到海洋環(huán)境條件，控制系統(tǒng)及其設(shè)備在設(shè)計時應(yīng)適應(yīng)傾斜、搖擺、沖擊、顛震等海況條件(具體的數(shù)值應(yīng)根據(jù)不同海域情況加以考慮).同時還應(yīng)該考慮鹽霧、霉菌等的影響.

模糊控制器根據(jù)當(dāng)前輸入的頻率和光伏功率決策出功率儲備系數(shù)ρ,功率儲備系數(shù)模糊自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6中,模糊控制器的輸入為當(dāng)前系統(tǒng)頻率f和當(dāng)前PV陣列最大潛在功率Ppv,mpp,輸出為功率儲備系數(shù)ρ,再通過式(6)計算出參考功率Ppv,ref,然后PV陣列根據(jù)參考功率Ppv,ref實時調(diào)節(jié)有功輸出,即可參與微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率的雙向調(diào)節(jié)。由于交流電力系統(tǒng)的頻率變化應(yīng)保持在額定值±1%以內(nèi)[38],考慮到一些不可預(yù)測事件的發(fā)生,取模糊控制器的輸入頻率f為(49.3～50.7 Hz)。設(shè)單組PV陣列最大發(fā)電量為0.3 MW,考慮到一些極端天氣及環(huán)境條件的變化,取模糊控制器的輸入功率為(0～0.3 MW)。功率儲備系數(shù)ρ選取規(guī)則為:當(dāng)頻率偏離額定值且越來越大時,模糊控制器輸出的功率儲備系數(shù)ρ會隨之增大;當(dāng)頻率偏離額定值且越來越小時,模糊控制器輸出的功率儲備系數(shù)ρ會隨之減小。根據(jù)式(6),當(dāng)Ppv,mpp值較大時,ρ值較小的改變將會引起PV陣列輸出功率較大的改變;當(dāng)Ppv,mpp值較小時,ρ值較大的改變引起PV陣列的輸出功率變化較小。因此,當(dāng)Ppv,mpp值較大時系統(tǒng)頻率發(fā)生波動,模糊控制器輸出的功率儲備系數(shù)ρ變化相對較小;當(dāng)Ppv,mpp值較小時系統(tǒng)頻率發(fā)生波動,模糊控制器輸出的功率儲備系數(shù)ρ變化相對較大。輸出變量功率儲備系數(shù)ρ的取值范圍為(0～0.6)。

模糊控制器的輸入變量和輸出變量對應(yīng)關(guān)系及隸屬度函數(shù)如圖7所示(輸入變量和輸出變量均采用三角形隸屬度函數(shù)),模糊規(guī)則推理表如表1所示。根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)頻率f和當(dāng)前PV陣列最大潛在功率Ppv,mpp,建立模糊規(guī)則的推理原則:當(dāng)輸入頻率f非常小且當(dāng)前PV陣列最大潛在功率Ppv,mpp非常小時,則輸出功率儲備系數(shù)ρ非常小;當(dāng)輸入頻率f非常小且當(dāng)前PV陣列最大潛在功率Ppv,mpp非常大時,則輸出功率儲備系數(shù)ρ略小;當(dāng)輸入頻率f適中且當(dāng)前PV陣列最大潛在功率Ppv,mpp適中時,則輸出功率儲備系數(shù)ρ適中;當(dāng)輸入頻率f非常大且當(dāng)前PV陣列最大潛在功率Ppv,mpp非常大時,則輸出功率儲備系數(shù)ρ略大;當(dāng)輸入頻率f非常大且當(dāng)前PV陣列最大潛在功率Ppv,mpp非常大時,則輸出功率儲備系數(shù)ρ非常大。

表1 模糊控制器邏輯規(guī)則表Table 1 Logic rule table of fuzzy controller

圖7 模糊控制隸屬度函數(shù)Fig.7 Membership functions of fuzzy controller

系統(tǒng)當(dāng)前頻率f、PV陣列當(dāng)前最大潛在功率Ppv,mpp及功率儲備系數(shù)ρ都包含7個模糊子集。其中NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB分別表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。

3 仿真分析

為了驗證所提控制算法的可行性和有效性,在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建仿真模型。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)IEEE13節(jié)點模型,如圖8所示。仿真模型由1個傳統(tǒng)發(fā)電機,2個逆變器,4組PV陣列和若干負(fù)荷組成。系統(tǒng)采用分層控制結(jié)構(gòu),其中第一層采用有功—頻率下垂控制,第二層采用基于PI的頻率恢復(fù)控制。根據(jù)設(shè)計的結(jié)構(gòu),當(dāng)兩組并聯(lián)PV陣列的其中一組運行在MPPT模式,另一組運行在FAPPT模式時,定義為采用提出控制策略進(jìn)行運行。當(dāng)兩組并聯(lián)PV陣列都運行在MPPT模式時,定義為采用傳統(tǒng)控制策略進(jìn)行運行。

圖8 IEEE13節(jié)點仿真系統(tǒng)單線圖Fig.8 Single line diagram of IEEE13 node simulation system

為驗證所提控制策略在不同PV滲透率下的性能,采用兩種PV滲透情景進(jìn)行研究,參數(shù)如表2所示。PV滲透率定義為PV裝機容量與最大負(fù)荷的比值。PV利用率定義為PV系統(tǒng)實際發(fā)電功率與最大可發(fā)電功率的比值。為便于FAPPT控制算法參數(shù)的設(shè)計,在不同滲透率下PV裝機容量保持不變?？紤]到用電側(cè)負(fù)荷的不斷變化及PV陣列周圍環(huán)境的隨機性改變會影響系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性,因此通過設(shè)定負(fù)荷突變和輻照度突變來模擬頻率波動事件。

表2 不同滲透率下最大發(fā)電容量

MPPT控制算法的控制變量可用式(5)表示,其中式(5)的積分項參數(shù)選取α=2 000,β=2 000。提出的FAPPT控制算法的控制變量用式(7)表示,其中式(7)包含的PI參數(shù)根據(jù)比例積分調(diào)節(jié)規(guī)則選取kp=1e-3,ki=1.5e-2。

相鄰并聯(lián)的兩組PV陣列運行模式如圖8所示,其中一組運行在MPPT模式,另一組運行在FAPPT模式。由于光伏并聯(lián)系統(tǒng)1和光伏并聯(lián)系統(tǒng)2采用的算法、結(jié)構(gòu)、模型、容量相同,環(huán)境因素非常相似,則光伏并聯(lián)系統(tǒng)1的PV1和PV2仿真結(jié)果與光伏并聯(lián)系統(tǒng)2的PV3和PV4仿真結(jié)果相同。因此,只展示光伏并聯(lián)系統(tǒng)1中PV1、PV2的結(jié)果進(jìn)行分析。

目前，語篇教學(xué)成為大學(xué)英語閱讀教學(xué)的主流。思維導(dǎo)圖的應(yīng)用可以讓學(xué)生根據(jù)既有的知識結(jié)構(gòu)和閱讀經(jīng)驗對全文做總體把握，使得閱讀教學(xué)避開了 “先詞匯、后語法、再閱讀”的傳統(tǒng)套路，實現(xiàn)了“自上而下”的閱讀教學(xué)模式。實踐證明，思維導(dǎo)圖是一種實用、有效的閱讀工具和教學(xué)手段，思維導(dǎo)圖的應(yīng)用有利于提高閱讀效率、改善教學(xué)成效。

3.1 不同功率儲備系數(shù)時的系統(tǒng)性能分析

為了評估不同功率儲備系數(shù)對系統(tǒng)性能的影響,仿真情景設(shè)置如下:高PV滲透率下,輻照度Irr=1 000 W/m2恒定,溫度T=25 ℃恒定,t=1.3 s時,負(fù)荷突減0.69 MW,t=2.3 s時,負(fù)荷突增0.69 MW,功率儲備系數(shù)取值分別為0、0.1、0.2和0.3;其功率儲備空間取值范圍分別為0～0、0～0.2、0～0.4和0～0.6。

圖9和圖10展示了不同PV滲透率情景下,提出的控制策略在不同功率儲備系數(shù)下的性能分析。從圖9(a)和圖10(a)可知,功率儲備系數(shù)取值越大,PV2輸出功率越低,其棄光量也越多,但有更多的功率儲備參與調(diào)頻。當(dāng)t=1.3 s負(fù)荷突減時,PV2迅速降低有功輸出,功率儲備系數(shù)取值越大下降的功率越多,是因為功率儲備系數(shù)取值大PV陣列有更多的功率儲備來參與系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié);當(dāng)t=2.3 s負(fù)荷突增時,PV2迅速增加有功輸出,功率儲備系數(shù)取值越大增加的功率越多。從圖9(b)和圖10(b)可知,當(dāng)t=1.3 s負(fù)荷突減時,系統(tǒng)頻率突增,功率儲備系數(shù)取值為0.3時的頻率突增量最小;當(dāng)t=2.3 s負(fù)荷突增時,系統(tǒng)頻率突減,功率儲備系數(shù)取值為0.3時的頻率突減量最小。因此,采用的功率儲備系數(shù)取值越大,提出的控制策略頻率調(diào)頻能力越強,其棄光量也越多,綜合考慮PV系統(tǒng)調(diào)頻能力及棄光量,以下研究的功率儲備系數(shù)取值設(shè)定為0.3。

圖10 低PV滲透下不同功率儲備系數(shù)取值范圍時的微電網(wǎng)系統(tǒng)性能分析Fig.10 Performance analysis of the PV system under different power reserve coefficient value range when the MG is with low PV penetration

3.2 負(fù)載突變工況下系統(tǒng)調(diào)頻效果分析

為了評估負(fù)荷突變對系統(tǒng)性能的影響,仿真情景設(shè)置如下:輻照度Irr=400 W/m2和Irr=1 000 W/m2兩種情況,溫度T=25 ℃恒定,不同輻照度下負(fù)荷突變情況如表3所示,其中+表示負(fù)荷突增,-表示負(fù)荷突減。

圖11和圖12分別展示了高PV滲透和低PV滲透率情景下,提出的控制策略與傳統(tǒng)控制策略在負(fù)荷突變條件下的性能對比。由圖11和圖12可知,t=1.3 s負(fù)荷突減時,傳統(tǒng)發(fā)電機迅速降低有功輸出,參與系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié);而PV1、PV2穩(wěn)定運行在MPPT模式,其有功輸出僅與輻照度有關(guān),不參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)。當(dāng)光伏并聯(lián)系統(tǒng)采用提出的控制策略時,由圖11(a)(c)(e)和圖12(a)(c)(e)可知,t=1.3 s負(fù)荷突減時,PV2降低有功輸出抑制頻率的波動,此時傳統(tǒng)發(fā)電機頻率波動量明顯低于傳統(tǒng)控制策略下的頻率波動量;而傳統(tǒng)發(fā)電機有功輸出迅速降低后再小幅度升高,是因為傳統(tǒng)發(fā)電機參與了系統(tǒng)的一、二次調(diào)頻。t=2.3 s負(fù)荷突增時,PV2增加有功輸出抑制頻率的波動,此時系統(tǒng)頻率波動量明顯低于傳統(tǒng)控制策略下的頻率波動量。t=3.3 s時輻照度上升到1 000 W/m2,從圖11(d)、(f)和圖12(d)、(f)可知,提出的控制策略同樣能夠有效抑制負(fù)荷突變引起的頻率波動。從圖11(g)、(h)和圖12(g)、(h)可知,當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時,PV利用率維持在85%附近;當(dāng)負(fù)荷突增時,PV利用率接近100%。不同滲透率、不同輻照度及不同負(fù)荷波動情景下,系統(tǒng)頻率波動量對比如表4所示。因此,提出的控制策略能夠有效的為微電網(wǎng)提供雙向頻率調(diào)節(jié)。

基于上述分析,對于FAPPT控制算法,定義PV陣列輸出功率參考Ppv,ref為

表4 負(fù)荷突變系統(tǒng)頻率最大波動值

圖11 高PV滲透下電導(dǎo)增量MPPT算法與FAPPT算法在負(fù)荷突變條件下的性能對比Fig.11 High PV penetration performance comparison with the incremental conductance MPPT algorithm and the FAPPT algorithm under varying load conditions

圖12 低PV滲透下電導(dǎo)增量MPPT算法與FAPPT算法在負(fù)荷突變條件下的性能對比Fig.12 Low PV penetration performance comparison with the incremental conductance MPPT algorithm and the FAPPT algorithm under varying load conditions

為了驗證PV陣列發(fā)生故障時的調(diào)頻能力,設(shè)計如下仿真情景:高PV滲透率下,輻照度Irr=1 000 W/m2恒定,溫度T=25 ℃恒定,t=4.3 s時,負(fù)荷突增0.69 MW,t=5.3 s時,負(fù)荷突減0.69 MW。1) 設(shè)定PV1發(fā)生故障,其中有40%的PV板不能發(fā)電,PV2正常;2) 設(shè)定PV1正常,PV2發(fā)生故障,其中有40%PV板不能發(fā)電。

縮頸通常會發(fā)生在沖孔過程或者鋼筋籠下放前期，導(dǎo)致鋼筋籠無法順利到達(dá)設(shè)計位置。縮頸現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是塑性土壤的遇水膨脹，在塑性土壤中沖孔時可能會遇到縮頸現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖13(a)、(b)和圖13(c)、(d)分別展示了PV1有40%的PV板不能發(fā)電和PV2有40%的PV板不能發(fā)電。從圖13(a)可得,PV1發(fā)生故障時的輸出功率低于PV2無發(fā)生故障時的輸出功率。從圖13(b)可得,在t=4.3 s負(fù)荷突增和t=5.3 s負(fù)荷突減時,PV1發(fā)生故障時的調(diào)頻能力低于PV2無故障時的調(diào)頻能力。是因為PV1發(fā)生故障時,PV1的最大參考功率比實際的小,會減低PV1的調(diào)頻能力。從圖13(c)可得,PV2發(fā)生故障時PV2的輸出功率低于PV1無發(fā)生故障時的輸出功率。從圖13(b)可得,在t=4.3 s負(fù)荷突增和t=5.3 s負(fù)荷突減時,PV2發(fā)生故障時的調(diào)頻能力低于PV1無故障時的調(diào)頻能力。是因為PV2發(fā)生故障時,PV2的最大參考功率比實際的小,會減低PV2的調(diào)頻能力。

1.2.8 質(zhì)量改進(jìn) 對QCC活動開展3個月、6個月進(jìn)行質(zhì)量評定；針對變化，圈員再b次開展討論，結(jié)合現(xiàn)場查看驗證，繪制魚骨圖，目標(biāo)鎖定于床單位擦拭方法與醫(yī)療廢物處置缺陷率高。

圖13 高PV滲透下PV陣列受光照不均勻以及局部陰影等因素影響時的性能分析Fig.13 Performance analysis of the PV system under uneven illumination or local shadows when the MG is with high PV penetration

3.3 輻照度突變工況下系統(tǒng)調(diào)頻效果分析

在某一個轉(zhuǎn)子位置,為了評估輻照度變化對系統(tǒng)性能的影響,在微電網(wǎng)輻照度突變時,保持系統(tǒng)負(fù)荷恒定。仿真情景設(shè)置如下:初始輻照度Irr=400 W/m2,溫度T=25 ℃恒定,輻照度突變情況如表5所示,其中+表示輻照度突增,-表示輻照度突減。

表5 負(fù)荷恒定時輻照度突變時間表

圖14和圖15分別展示了高PV滲透和低PV滲透率情景下,提出的控制策略與傳統(tǒng)控制策略在輻照度突變條件下的性能對比。

圖14 高PV滲透電導(dǎo)增量MPPT算法與FAPPT算法在輻照度突變條件下的性能對比Fig.14 High PV penetration performance comparison with the incremental conductance MPPT algorithm and the FAPPT algorithm under varying irradiance conditions

圖15 低PV滲透電導(dǎo)增量MPPT算法與提出的FAPPT算法在輻照度突變條件下的性能對比Fig.15 Low PV penetration performance comparison with the incremental conductance MPPT algorithm and the FAPPT algorithm under varying irradiance conditions

由圖14(b)和圖15(b)可知,傳統(tǒng)控制策略下的PV1和PV2運行在MPPT模式時能夠快速準(zhǔn)確的追蹤到最大功率。t=1.3 s輻照度突增,由圖14(a)、(b)和圖15(a)、(b)可知,光伏并聯(lián)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)控制策略時,傳統(tǒng)發(fā)電機有功輸出迅速降低,只有傳統(tǒng)發(fā)電機參與系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié);而并聯(lián)的PV1、PV2陣列始終運行在MPPT模式,不參與系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)。由圖14(a)、(c)和圖15(a)、(c)可知,并聯(lián)PV系統(tǒng)采用提出的控制策略時,PV2偏離最大功率點運行,此時留出較大的功率儲備抑制系統(tǒng)頻率的波動,而傳統(tǒng)發(fā)電機需要增加輸出功率補償PV2在FAPPT模式下產(chǎn)生的功率儲備。當(dāng)輻照度突變時,PV2通過改變功率輸出抑制系統(tǒng)頻率的波動。由圖14(d)圖15(d)可知,當(dāng)光伏并聯(lián)系統(tǒng)采用提出的控制策略時,輻照度突變引起的頻率波動明顯低于傳統(tǒng)控制策略下頻率的波動低且頻率穩(wěn)定性得到顯著的改善。從圖14(e)和圖15(e)可知,當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷穩(wěn)定時,PV利用率一直維持在85%附近;當(dāng)輻照度變化引起系統(tǒng)頻率波動時,PV發(fā)電參與調(diào)頻的同時仍保留一定的功率儲備防止負(fù)荷突變引起頻率波動。不同滲透率、不同輻照度波動和負(fù)荷恒定情景下,系統(tǒng)頻率波動量對比如表6所示。因此,提出的控制策略能夠有效地為微電網(wǎng)提供雙向頻率調(diào)節(jié)。

表6 輻照度突變系統(tǒng)頻率最大波動值

4 結(jié) 論

本文針對高PV滲透率下,微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應(yīng)能力不足的問題,提出了光伏發(fā)電參與微電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的模糊自適應(yīng)功率控制策略。該策略采用IEEE13節(jié)點微電網(wǎng)測試系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果與傳統(tǒng)最大功率點算法相比,所提控制策略能夠快速有效地抑制微電網(wǎng)頻率的雙向波動。此外,本文所提控制策略減少了輻照度傳感器和MPP估計器的使用,無需詳細(xì)的PV模型,易于實現(xiàn);該策略還有更好的控制性能,提高了系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性和PV發(fā)電接入能力,并減小了系統(tǒng)最大頻率偏差。因此,PV發(fā)電系統(tǒng)與微電網(wǎng)連接時,不僅能夠給負(fù)荷提供功率,還承擔(dān)微電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的任務(wù)。本文著重研究了PV發(fā)電參與微電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的暫態(tài)特性,其長時間尺度下穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性分析是今后研究的重點。