李 莎 粟時(shí)平 劉桂英 范孝春 黃 飛

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004）

傳統(tǒng)能源短缺和環(huán)境污染催生可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用，而太陽(yáng)能又以清潔環(huán)保、來(lái)源之廣而備受人們青睞。近年來(lái)，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)成為光伏發(fā)電市場(chǎng)的主流[1]。光伏發(fā)電的不連續(xù)性和隨機(jī)性決定了光伏發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，而且光伏陣列的輸出功率隨著外界環(huán)境溫度、輻照度等因素影響變化頻繁[2]。最大限度地跟蹤光伏陣列最大功率點(diǎn)和向電網(wǎng)提供穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的電能是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)最主要的控制目標(biāo)。在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器作為光伏陣列并入電網(wǎng)的重要接口，并網(wǎng)逆變器本身的工作特性就是典型的混成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)特性，因此，在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中引入混成控制思想，能夠更好的適應(yīng)外界環(huán)境因素的變化、實(shí)現(xiàn)多種目標(biāo)控制。

針對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)具有典型的混成系統(tǒng)特性，本文在分析了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的混成特性之后，提出了單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)混成控制策略。該控制策略是以邏輯條件作為離散事件，離散事件在自動(dòng)機(jī)的作用下改變系統(tǒng)的運(yùn)行模式，從而達(dá)到消除事件的目的。該控制方法能夠快速響應(yīng)外界環(huán)境變化、提高并網(wǎng)電能質(zhì)量、保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的深入研究具有一定的實(shí)際意義。

1 混成控制理論

1.1 混成控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混成控制系統(tǒng)，通常是指其被控制對(duì)象或控制器中同時(shí)含有離散模型和連續(xù)模型，且這兩種模型相互影響共同確定系統(tǒng)的性能。離散模型在控制中通常以離散決策者的形式出現(xiàn)，一個(gè)切換選擇器或限幅器也可以是控制器的離散部分，而連續(xù)模型通常由微分方程或差分方程來(lái)描述[3]?；斐煽刂评碚撌菫榻鉀Q非線性、隨機(jī)干擾性等復(fù)雜系統(tǒng)控制問(wèn)題提供的新思想。

混成控制系統(tǒng)主要由連續(xù)變量動(dòng)態(tài)系統(tǒng)、離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和接口這3個(gè)部分構(gòu)成，可以看成分層結(jié)構(gòu)的小型復(fù)雜混成控制系統(tǒng)，如圖1所示。其中，離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可用邏輯語(yǔ)言來(lái)描述，在接受到接口中的最新變量信息之后分析系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并根據(jù)最新信息判斷定義的事件是否發(fā)生，而決定向連續(xù)變量動(dòng)態(tài)系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)的控制指令；連續(xù)變量動(dòng)態(tài)系統(tǒng)一般用微分方程或差分方程來(lái)描述，從上層中輸出的控制指令將決定連續(xù)變量動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)模式的變遷；由事件發(fā)生器和執(zhí)行器組成的接口主要用于兩系統(tǒng)之間的信息交換[4-7]。

圖1 混成控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)圖

1.2 混成控制系統(tǒng)建模

混成控制系統(tǒng)建模方法一般有兩大類：①基于離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模方法，連續(xù)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程由離散事件來(lái)劃分狀態(tài)區(qū)間，連續(xù)動(dòng)態(tài)行為作為離散系統(tǒng)的下層嵌入到系統(tǒng)中來(lái)，用多 Agent、有限自動(dòng)機(jī)、Petri網(wǎng)、極大代數(shù)等方法來(lái)描述復(fù)雜的離散動(dòng)態(tài)系統(tǒng)；②基于連續(xù)變量動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模方法離散事件被當(dāng)成連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)切換的條件，將表示時(shí)間和連續(xù)變量的微分方程或差分方程進(jìn)行拓展，以包含體現(xiàn)狀態(tài)演變的離散事件和變量，如事件流模型、混合邏輯動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型、切換系統(tǒng)模型、仿射型混雜控制模型等[8]。

2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的混成特性分析

在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)由光伏陣列、并網(wǎng)逆變器和電網(wǎng)組成，光伏陣列產(chǎn)生電能、變換電路連續(xù)工作和電網(wǎng)正常運(yùn)行表現(xiàn)為連續(xù)動(dòng)態(tài)行為，可以用微分方程或差分方程來(lái)描述，而外界環(huán)境因素的變化、人為操作行為和變換電路中功率開(kāi)關(guān)管的通斷表現(xiàn)為離散事件動(dòng)態(tài)行為，連續(xù)變量動(dòng)態(tài)行為和離散事件動(dòng)態(tài)為交織作用使得光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)具有明顯的非線性、不確定性、非純一性的典型混成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。其混成特性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）光伏陣列的混成特性

光伏陣列作為直流電源輸入，由于光伏陣列本身的V-I特性和P-V特性具有強(qiáng)烈的非線性，光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度等外界因素可以改變光伏陣列的輸出功率、輸出電壓等。光伏陣列的輸出功率和輸出電壓決定了系統(tǒng)的運(yùn)行模態(tài)，各種模態(tài)在光伏陣列的輸出功率和輸出電壓構(gòu)成的離散事件下變遷，而每一種模態(tài)又是連續(xù)運(yùn)行的，因此，光伏陣列呈現(xiàn)出典型的混成動(dòng)態(tài)特性。

2）光伏并網(wǎng)逆變器的混成特性

光伏并網(wǎng)逆變器的主電路是由電力電子開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成，電力電子開(kāi)關(guān)器件是由連續(xù)變量動(dòng)態(tài)行為和離散事件行為組成的，開(kāi)關(guān)管的斷開(kāi)和閉合構(gòu)成離散事件，離散事件決定并網(wǎng)逆變器的電路拓?fù)?，在特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的連續(xù)工作狀態(tài)就是連續(xù)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。而在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，并網(wǎng)逆變器的功能決定了其可以工作在有功發(fā)生器、無(wú)功補(bǔ)償器、有源濾波器和電能質(zhì)量統(tǒng)一控制器的并網(wǎng)運(yùn)行模式，各種模式之間的變遷是離散的，而在每一種模式下的運(yùn)行狀態(tài)又是連續(xù)的，離散事件行為和連續(xù)動(dòng)態(tài)變量行為的相互作用使得光伏并網(wǎng)逆變器是一個(gè)復(fù)雜的混成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。

3）電網(wǎng)的混成特性

電網(wǎng)是由電源、輸電和配電構(gòu)成的一個(gè)龐大系統(tǒng)，除了表現(xiàn)出強(qiáng)非線性、高維數(shù)和多時(shí)速特征外，正常運(yùn)行模式下的連續(xù)動(dòng)態(tài)行為和輸配電的邏輯約束、各種調(diào)度控制使得電網(wǎng)具有典型的混成動(dòng)態(tài)特性。

3 單相雙極式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

3.1 單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制原理如圖2所示。系統(tǒng)采用兩級(jí)式結(jié)構(gòu)，前級(jí)用 Boost電路完成光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤控制，后級(jí)是全橋逆變電路，主要完成從直流電到交流電的逆變和控制逆變器輸出的并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。

圖2 單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)控制原理圖

3.2 最大功率點(diǎn)跟蹤混成控制策略

光伏陣列的輸出功率是外部環(huán)境因素的非線性函數(shù)，為了充分利用光伏陣列的效能，應(yīng)該采用最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略使光伏陣列盡可能的工作在最大功率點(diǎn)。由Boost電路工作原理可得

式中，D為開(kāi)關(guān)T的占空比。在功率平衡的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比 D 可調(diào)節(jié)光伏陣列輸出電壓 Upv，從而達(dá)到光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤控制的目的。

本文采用變占空比的混成控制方法作為光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略，在控制過(guò)程中，將ΔD分為兩個(gè)等級(jí)，即大步長(zhǎng)ΔD1和小步長(zhǎng)ΔD2，大步長(zhǎng)調(diào)節(jié)適用于由外界環(huán)境突變使得光伏陣列工作在遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)時(shí)，以快速響應(yīng)外界環(huán)境的變化；小步長(zhǎng)調(diào)節(jié)適用于光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)附近，以減小功率振蕩。由光伏陣列的P-V特性曲線可知，在最大功率點(diǎn)的兩側(cè)的符號(hào)是不一樣的，定義函數(shù)；函數(shù)。根據(jù)S1、S2的符號(hào)就可以判斷光伏陣列工作點(diǎn)的大概位置，因此，可以決定下一時(shí)刻占空比的調(diào)節(jié)方式。定義如下邏輯條件來(lái)構(gòu)成離散事件。

MPPT混成控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示，混成控制器首先檢測(cè)到光伏陣列輸出功率和輸出電壓，通過(guò)連續(xù)控制環(huán)節(jié)得到功率和電壓的變化情況，控制決策環(huán)節(jié)先判斷定義的事件是否發(fā)生，再根據(jù)事件類型決定如何調(diào)節(jié)占空比。變占空比的控制決策如圖4所示。

圖3 MPPT混成控制器結(jié)構(gòu)

圖4 MPPT控制決策自動(dòng)機(jī)模型

3.3 單相光伏并網(wǎng)逆變器混成控制策略

考慮到單相光伏并網(wǎng)逆變器的混成特性，本文將混成控制策略用于對(duì)并網(wǎng)逆變器的控制。所用控制策略的基本工作原理是：檢測(cè)濾波電感電流iL，給定指令電流iref，通過(guò)比較iref和iL，根據(jù)這兩電流的瞬時(shí)值之差 Δ i = iref- iL與所設(shè)定的誤差閾值 H比較來(lái)判斷下一時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器的4個(gè)開(kāi)關(guān)管的通斷情況。定義如下邏輯條件來(lái)構(gòu)成電流事件。

并網(wǎng)逆變器混成控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示，混成控制器首先檢測(cè)到并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓，通過(guò)連續(xù)控制環(huán)節(jié)得到指令電流和并網(wǎng)電流，控制決策環(huán)節(jié)判斷定義的事件是否發(fā)生，根據(jù)事件類型決定選用哪種開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通模式來(lái)產(chǎn)生PWM信號(hào)，PWM信號(hào)形成的控制決策如圖6所示。

圖5 并網(wǎng)逆變器混成控制器結(jié)構(gòu)

圖6 并網(wǎng)逆變器控制決策自動(dòng)機(jī)模

4 仿真分析

為驗(yàn)證上述方法的正確性與有效性，將對(duì)單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)利用 Matlab軟件平臺(tái)搭建仿真模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證[9-10]。離散控制決策根據(jù)圖 4 、圖 6 所示用Stateflow構(gòu)建的混成自動(dòng)機(jī)模型，連續(xù)系統(tǒng)由Simulink來(lái)實(shí)現(xiàn)。仿真采用的參數(shù)為：光伏電池在標(biāo)況Tref=25℃ ，Sref= 1 000W/m2情形下運(yùn)行，Isc=8.3A，Uoc=350V ，Im=7.4A， Um=280V ，電容 Cs=50μF，L1= 4mH ， Cdc=2000μF，濾波電感L=4mH，等效電阻r=0.01Ω，交流側(cè)電網(wǎng)電壓us的幅值是310V，頻率為50Hz，設(shè)定 H = 0.01。仿真結(jié)果如圖7所示，由仿真波形可知，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作在最大功率點(diǎn)，并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓基本保持同頻同相，滿足并網(wǎng)要求。

圖7 仿真波形

5 結(jié)論

本文分析了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的混成特性，分別設(shè)計(jì)出了最大功率點(diǎn)跟蹤和并網(wǎng)逆變器混成控制決策，建立了基于混成自動(dòng)機(jī)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制模型，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。從仿真結(jié)果可得，采用該方法的系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，跟蹤精度高，因此，采用本文提出的方法解決光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制問(wèn)題是正確可行的，也是有效的。

[1]張耀明.中國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與前景[J].能源研究與利用,2007(1).

[2]張超,何湘寧,趙德安.光伏發(fā)電系統(tǒng)變步長(zhǎng) MPPT控制策略研究[J].電力電子技術(shù),2009,43(10):47-49.

[3]董學(xué)平,徐本連.基于混雜系統(tǒng)的智能 PID 控制設(shè)計(jì)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,27(8):960-963.

[4]胡偉,盧強(qiáng).混成電力控制系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2005,20(2),11-16.

[5]HV W, RUAN Q T. Hybrid Power Control System and Its Application[J]. 2006 International Conference on Power System

[6] GIANCARLO F T, EDUARDO G, MANFRED M.Modeling and dontrol of Co-Generation power plants：A hybrid system approach[J].IEEE transactions on control systems technology, 2004: 694-705.

[7]秦世引,宋永華.混雜控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2000(6):6-9.

[8]劉凱.混成電力系統(tǒng)及其靜態(tài)電壓穩(wěn)定性研究[D].貴州大學(xué), 2008.

[9]ZHOU K L, WANG D W.Digital repetitive controlled three-phase PWM rectifier[J]. IEEE transactions on power electronics, 2003,18(1): 309-316.

[10]趙曉華,陳陽(yáng)舟.基于 Matlab狀態(tài)流的混雜系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)仿真,2005,22(7):206-210.