張繼紅 ，郝昊達(dá) ，田 玉，高 春，吳振奎

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

超級電容器儲能的光伏系統(tǒng)自適應(yīng)控制研究

張繼紅1，郝昊達(dá)1，田 玉1，高 春2，吳振奎1

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

針對現(xiàn)有光伏系統(tǒng)穩(wěn)定性與自調(diào)整能力不足的實(shí)際情況，提出了一種基于超級電容器儲能、自適應(yīng)控制并網(wǎng)策略的光伏系統(tǒng)。通過分析超級電容器儲能原理并對電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了一種新型雙Boost模式電路，增大了電路的跨負(fù)載電壓偏移量，取得了更理想的儲能效果。優(yōu)化了自校正PI控制器，闡述了自校正PI控制的設(shè)計(jì)和基本原理。新控制器參數(shù)控制簡便，并且在保持PI控制的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)了系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)能力。通過Matlab波形分析表明，該方案很好地提高了光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。提出的自適應(yīng)PI控制優(yōu)化方法可以在彌補(bǔ)傳統(tǒng)控制方式不足的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步研究來提高光伏系統(tǒng)的整體性能，也可為系統(tǒng)中其他環(huán)節(jié)的優(yōu)化控制提供研究方向。

光伏發(fā)電； 儲能； 超級電容器； 逆變器； 控制器； 自適應(yīng)控制； Boost電路； Matlab/Simulink

0 引言

光伏并網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行及電能的高質(zhì)量輸出是光伏系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，因而優(yōu)化并網(wǎng)逆變器控制策略、改善電能質(zhì)量方法成為關(guān)注的焦點(diǎn)[1-3]。衡量系統(tǒng)好壞的標(biāo)準(zhǔn)取決于系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)特性，對控制策略進(jìn)行優(yōu)化能夠改善和提升系統(tǒng)性能。超級電容器作為一種新型儲能元件，其充放電次數(shù)和循環(huán)次數(shù)均有良好表現(xiàn)，在分布式發(fā)電中得到廣泛應(yīng)用。

系統(tǒng)采用優(yōu)化后的控制策略，能保證系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性。目前廣泛采用比例積分(proportional integral,PI)控制算法，其理論成熟、控制器結(jié)構(gòu)簡單并且易于設(shè)計(jì)。本文提出優(yōu)化的自校正PI控制方式，既滿足了以上PI控制器的優(yōu)點(diǎn)，又提高了系統(tǒng)應(yīng)對環(huán)境變化及干擾的魯棒性能。

1 超級電容器儲能系統(tǒng)

超級電容器是一種新型儲能元件，它的充放電次數(shù)與循環(huán)次數(shù)優(yōu)于目前廣泛應(yīng)用的電化學(xué)電池，而且具有功率密度高、工作溫度范圍寬、無環(huán)境污染、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。超級電容器儲能系統(tǒng)將在大功率下[4]，滿足系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的要求。超級電容器是由電阻、電容進(jìn)行復(fù)雜串并聯(lián)構(gòu)成的器件，其物理模型如圖1所示[5]。

圖1 超級電容器物理模型

1.1 DC- DC轉(zhuǎn)換電路

本文設(shè)計(jì)了超級電容器儲能系統(tǒng)雙向DC-DC變換器的變換電路。該雙向DC-DC變換器的變換電路為雙Boost模式升壓電路。該變換電路使超級電容器具備再生反饋的能力，能滿足分布式發(fā)電負(fù)載要求，因此該超級電容器具有兩項(xiàng)功能:充電儲能和放電釋能。當(dāng)分布式直流電網(wǎng)能量充足，存在剩余能量時，該系統(tǒng)通過雙向DC-DC變換器將其存儲在超級電容器中；當(dāng)分布式直流電網(wǎng)能量無法滿足用電需要時，超級電容器便會釋放電能，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

這種多級非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器省去了工頻變壓器，因而在成本、體積方面更加具備優(yōu)勢。Boost電路可以使光伏列陣工作在一個寬泛的電壓范圍內(nèi)。雙Boost模式電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙Boost模式電路結(jié)構(gòu)圖

每一個電路提供直流偏置的正弦波輸出U1和U2，每個電源產(chǎn)生單級電壓，U1和U2所代表的相電壓的變化等于180°，這使跨負(fù)載的電壓偏移量最大化。

為了描述控制目的，通常使用平均電流和電壓值的平均模型。該模型更適合于控制，因?yàn)槠溆善骄?、平滑、非線性的連續(xù)時間的等式來描述。

1.2 電路模式控制

當(dāng)Q1關(guān)斷、Q2開通時，定義q=0；當(dāng)Q2關(guān)斷、Q1開通時，定義q=1。升壓電路動態(tài)方程可表示為:

(1)

(2)

令u=1-q，則以上兩式可以表達(dá)為:

(3)

(4)

2 自校正PI控制方案

目前采取的控制方案，如PI控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和重復(fù)控制等，雖然控制效果較為理想，但是也存在一些問題:系統(tǒng)靜差跟隨性能差、系統(tǒng)超調(diào)量大、需要檢測多個變量[6]。

基于目前控制方案，由于逆變控制系統(tǒng)的不確定性、輸入電壓的不穩(wěn)定性、負(fù)載的非線性特征，本文提出一種自校正PI控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖3所示[7]。

圖3 自校正PI控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

PI調(diào)節(jié)器輸出端與輸入的電壓信號經(jīng)過模型參數(shù)辨識后，進(jìn)行在線參數(shù)設(shè)計(jì)。外環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了PI調(diào)節(jié)器的自校正過程，作用于被控對象，達(dá)到對控制系統(tǒng)自校正PI控制的目的。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用自適應(yīng)控制來解決系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)境變化的問題，并且能夠有效提高系統(tǒng)魯棒性能。

自適應(yīng)PI控制兼具自適應(yīng)控制和常規(guī)PI控制的優(yōu)點(diǎn)，不僅需要調(diào)整的參數(shù)少，而且能夠根據(jù)對象特性的變化在線修改這些參數(shù)，從而增強(qiáng)控制器的自適應(yīng)能力[8]。

PI控制器的連續(xù)形式表示為:

(5)

式中：kp、ki為常規(guī)PI控制器的比例積分系數(shù)；u(t)為控制輸出。

設(shè)y(t)為系統(tǒng)輸出，yr(t)為參考輸入，e(t)為偏差信號，定義e(t)：

e(t)=yr(t)-y(t)

(6)

傳遞函數(shù)形式:

(7)

離散形式:

(8)

式中：Ts為采樣周期。

離散增量形式為:

Δu(k)=u(k)-u(k-1)

根據(jù)離散形式，上式可表示為：

Δu(k)=kp[e(k)+e(k-1)]+kpkiTse(k)

(9)

由上式可得：

Δu(k)=r0e(k)+r1e(k-1);r0=kp+kpkiTs;r1=-kp。

新控制器的參數(shù)r0、r1替代了原有PI控制器中的比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki，其中r0與比例積分系數(shù)相關(guān)，r1則是對比例系數(shù)的替換。因此，在新設(shè)計(jì)的控制器中，通過對r0、r1的調(diào)整便可以達(dá)到調(diào)整控制器參數(shù)的目的[8-9]。

3 仿真結(jié)果與分析

太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型的計(jì)算輸入如下:光伏陣列裝機(jī)容量為10 kW，環(huán)境溫度為26 ℃，太陽輻射強(qiáng)度為1 000 W/m2，電網(wǎng)為三相380 V，頻率為50 Hz。逆變器電感L1=1.5 mH，電感L2=0.8 mH，濾波電容C=200 μF。電壓環(huán)的自校正PI初始設(shè)定參數(shù)kp=3.6，ki=198；電流控制環(huán)的自校正PI參數(shù)可根據(jù)系統(tǒng)最大功率點(diǎn)的輸出進(jìn)行自調(diào)整運(yùn)行，從而減少系統(tǒng)逆變器輸出電流的諧波數(shù)量，保證了電網(wǎng)的可靠性和安全性[10]。

當(dāng)光照強(qiáng)度由1 000 W/m2突然降為750 W/m2，且L2側(cè)負(fù)載突然增加時，輸出電壓仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，自校正PI的電壓跌落幅值要小于常規(guī)PI控制，因此自校正PI控制方法魯棒性更強(qiáng)。

圖4 輸出電壓仿真結(jié)果圖

在逆變器穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，對電路進(jìn)行仿真，輸出電流仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 輸出電流仿真結(jié)果圖

由圖5可以看出，自校正PI控制器可以通過自行調(diào)整控制器參數(shù)達(dá)到最佳控制效果，輸出的波形比常規(guī)PI要平滑，畸變率更小。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于新型的雙Boost模式DC-DC變換電路的儲能系統(tǒng)。通過對參數(shù)的調(diào)整，能更加有效地提高電路工作效率，進(jìn)而取得更好的儲能效果，電能質(zhì)量更好。另外，從逆變器的控制角度，提出了一種基于自校正PI的控制策略，它克服了傳統(tǒng)PI的不足，在系統(tǒng)魯棒性能和適應(yīng)環(huán)境能力上均有提升，也降低了仿真的輸出波形畸變。

通過仿真分析表明，改進(jìn)后的策略更能適應(yīng)環(huán)境變化帶來的影響，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

[1] 劉鴻鵬,朱航,吳輝,等.新型光伏并網(wǎng)逆變器電壓型控制方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2015(21):5560-5568.

[2] 張文生,陳宇宏.三電平光伏逆變器的新型控制策略研究[J].電子技術(shù),2013(2):20-22.

[3] 楊惠,孫向東,鐘彥儒,等.基于雙向DC-DC變換器的超級電容器儲能系統(tǒng)研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報,2011(4):456-460.

[4] WANG W X.Research on energy storage of super capacitor,accumulator and lithium batteries in distributed systems[J].Transducers,2014,173(6):204-209.

[5] KHAN J,NASIR U.Voltage stabilization of hybrid micro-grid using super capacitors[J].Journal of Power and Energy Engineering,2015,3(6):1-9.

[6] 戴訓(xùn)江，晁勤． 光伏并網(wǎng)逆變器自適應(yīng)電流滯環(huán)跟蹤控制的研究[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010(4):25-30.

[7] 沈欣煒,鄭競宏,朱守真,等.光伏并網(wǎng)逆變器控制參數(shù)的dq軸解耦辨識策略[J].電力系統(tǒng)自動化,2014(4):38-43.

[8] 張為堂,王俊,周澤華.光伏并網(wǎng)逆變器控制設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù),2013(1):71-73.

[9] 方如舉．光伏逆變電源的并網(wǎng)策略與自適應(yīng)控制[J]．可再生能源，2016(2):190-195.

[10]MEJIARUDA E,MEDINA J F,MAULEDOUX M,et al.Adaptive control for solar photovoltaic tracking system[J].Applied Mechanics and Materials,2016,38(23):377-382.

Research on Adaptive Control of PV System for Super Capacitor Energy Storage

ZHANG Jihong1，HAO Haoda1，TIAN Yu1，GAO Chun2，WU Zhenkui1
(1.Information Engineering College，Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China;
2.Inner Mongolia First Machinery Group Co.,Ltd.，Baotou 014030,China)

Aiming at the actual situation of existing PV systems lacking stability and self-adjustment ability,a photovoltaic system based on super capacitor energy storage and adaptive control grid connected strategy is proposed.By analyzing the principle of super capacitor energy storage and optimizing the design of the circuitry,a new type of double Boost mode circuit is proposed,which increases the cross load voltage offset of the circuit and achieves better energy storage effect.The self-correction PI controller is optimized,and the design and basic principle of the self-correction PI control are described.The control of the parameters of this new controller is simple,and the system adaptability to the environment is enhanced on the basis of maintaining the advantages of PI control.Through the Matlab waveform analysis,it is found that the scheme can well improve the stability and robustness of the PV system.The proposed adaptive PI control optimization method can improve the overall performance of the PV system by continuing research on the basis of making up insufficiency of traditional control mode,and also provide the research direction for the optimization control of the other aspects in the system.

PV power generation; Energy storage; Super capacitor; Inverter; Controller; Adaptive control; Boost circuit；Matlab/Simulink

內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (2016MS0515)

張繼紅(1975—)，男，在讀博士研究生，副教授，主要從事光伏發(fā)電技術(shù)的研究。E-mail:zjh00318@163.com。

TH861;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201707004

修改稿收到日期:2017-03-17