賀運勝

（中國能源建設集團有限公司廣東火電工程總公司，廣東廣州 510730）

在可再生能源備受關注的今天，太陽能以取之不盡，用之不竭、清潔、環(huán)保等特點成為人們利用的焦點。太陽能發(fā)電是合理利用太陽能的有效方法[1]，其中的光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網光伏發(fā)電系統(tǒng)兩類。在并網光伏發(fā)電系統(tǒng)中，對電網的跟蹤控制直接關系到輸出電能的質量和系統(tǒng)的運行效率，是系統(tǒng)的核心和技術關鍵，控制系統(tǒng)的性能在很大程度上決定著并網的成敗，因此，一種合理的控制策略就顯得十分必要[2-7]。

現在并網的技術多種多樣，目前處于主導地位的仍然是PID控制技術，但是PID控制器參數一經選取，即固定不變。當光照環(huán)境等發(fā)生變化時，會導致光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作條件發(fā)生變化，使得逆變跟蹤電網電壓的精度降低，難以實現平滑并網的要求，其顯示出較大局限性，很難取得滿意的效果[2-7]。本文從光伏發(fā)電自身的特點出發(fā)，在模糊控制的基礎上，設計了光伏并網模糊PID控制器，該控制器通過實時改變控制器參數值，改善了光伏系統(tǒng)并網控制的動態(tài)過程，能夠實現光伏系統(tǒng)的平滑并網，并通過數字仿真和物理仿真驗證了良好的并網控制效果。

1 并網逆變器及其模型

并網逆變器是并網光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，不僅承擔著把光伏電池發(fā)出的直流電轉換為交流電，還承擔著對頻率、電壓、電流、相位、有功與無功等進行控制。在兩級式并網光伏發(fā)電系統(tǒng)中，后級逆變級實現著電能由直流電變?yōu)榕c電網電壓同頻，同相的交流電的任務，是整個并網系統(tǒng)的重點，它決定著光伏系統(tǒng)輸入到電網的電能質量。

圖1所示為三相兩級式并網逆變器的主體結構。系統(tǒng)采用兩級結構，前級DC/DC為Boost電路，后級為半橋逆變和LCL濾波電路。

圖1 三相并網逆變器結構Fig.1 Structure of three-phase PV gridconnected inverter

根據圖1并網逆變器結構，可以導出如圖2所示數學模型結構。

圖2 并網逆變器模型結構圖Fig.2 Block diagram of PV grid connected inverter mathematical model

2 模糊PID控制

2.1 模糊PID控制原理

模糊PID控制指的是模糊技術與常規(guī)的PID控制算法相結合的一種智能控制方法。模糊控制器本身消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差，難以達到較高的控制精度；而PID調節(jié)器的積分調節(jié)作用從理論上可使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差控制為零，有很好的消除誤差作用。因此把模糊控制和PID調節(jié)器相結合以增加穩(wěn)態(tài)控制性能。

太陽能的隨機不確定性，要求系統(tǒng)有較快的響應速度和小的超調量。本設計的模糊PID控制器的輸入量為誤差E=ΔP/ΔU和誤差變化率ΔE，輸出量光伏陣列輸出的電壓量U。PID控制器三個參數的變化量ΔkP，ΔkI和ΔkD，分別加上PID控制參數的初始值，得到實際PID控制參數。模糊PID控制器原理如圖3所示。

圖3 模糊PID控制器結構圖Fig.3 Block diagram of fuzzy-PID controller

kP，kI，kD的校正將系統(tǒng)誤差E和誤差變化率ΔE變化范圍定義為模糊集上的論域 {E，ΔE}=[-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5]，其模糊子集為{E，ΔE}={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，子集中元素分別代表負大，負中，負小，零，正小，正中，正大?？偨Y工程設計人員的技術知識和實際操作經驗，建立了模糊PID規(guī)則表，如表1所示。

表1 模糊PID的k P，k I，k D的規(guī)則表Tab.1 The rule table of k P、k I and k D of fuzzy-PID

設E，ΔE和kP，kI，kD均服從正態(tài)分布，因此可得出各模糊子集的隸屬度，根據各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數模糊控制模型，應用模糊合成推理設計PID參數的模糊矩陣表，修正參數代入下式計算：

在線運行過程中，控制系統(tǒng)通過對模糊規(guī)則結果進行處理、查表和運算，完成對模糊PID參數的在線自校正。

2.2 基于模糊PID控制系統(tǒng)的設計

并網光伏系統(tǒng)是一個雙環(huán)結構，并網電流內環(huán)和直流電壓外環(huán)，分別完成逆變控制和直流側電壓穩(wěn)定。逆變器直流母線電壓的穩(wěn)定直接決定著最大功率跟蹤的效果和并網電流的諧波含量，是連接前后兩級的紐帶。

并網逆變器開關頻率遠高于電網頻率，故可以忽略開關頻率對系統(tǒng)的影響，將PWM逆變單元近似為一個增益環(huán)節(jié)KPWM。圖4所示為并網逆變器電流環(huán)控制框圖。

圖4 電流環(huán)控制結構框圖Fig.4 Block diagram of current loop control

其中，Us為電網電壓；iL為閉環(huán)并網電流。

逆變器直流側電壓基本保持穩(wěn)定，故電壓環(huán)可采用PID控制器，圖5所示為電壓環(huán)控制結構框圖。

圖5 電壓環(huán)控制結構框圖Fig.5 Block diagram of voltage loop control

其中ΦI（s），為電流內環(huán)傳遞函數；Udc為直流側電壓。

3 仿真實驗研究

基于上述研究，在Matlab/simulink中建立了三相兩級式光伏并網系統(tǒng)的模型，光伏陣列的輸出功率從100 kW突變?yōu)?00 kW，最大輸出電壓Umpp=510 V，開路電壓Uoc=597 V，短路電流Isc=241.5 A。仿真結果如圖6、圖7所示。圖6為A相并網的電流電壓波形，可以看出基本達到同頻同相的要求。圖7為并網電流諧波含量圖，經過諧波分析得到電流的諧波分量不超過1.8%，達到國家標準。

圖6 A相并網的電流電壓波形Fig.6 The current and voltage simulation waveforms of phase A in PV grid connected system

圖7 A相并網電流諧波含量圖Fig.7 Diagram of phase A current harmonic content in PV grid connected system

4 實驗驗證

為了進一步驗證所提控制算法的有效性和可行性，進行了實驗驗證。系統(tǒng)實驗主電路參數與仿真參數相同，控制器部分采用DSP（TMS320F2812）并行處理方式。圖8為A相并網的電流電壓實驗波形，可以看出物理實驗結果和仿真結果相類似，進一步基于模糊PID并網算法的有效性。

圖8 A相并網的電流電壓實驗波形Fig.8 The current and voltage experimental waveforms of phase A in PV grid connected system

5 結論

文章從光伏發(fā)電系統(tǒng)自身特點的出發(fā)，在三相兩級式并網逆變器數學模型的基礎上，將模糊PID控制策略引入光伏系統(tǒng)的并網控制中。通過數字仿真和物理仿真表明模糊控制與PID控制相結合的模糊PID控制，改善了光伏系統(tǒng)并網控制的動態(tài)過程，能夠實現光伏系統(tǒng)的平滑并網，并通過數字仿真和物理仿真驗證了良好的并網控制效果。

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