基於模糊PI控制的大功率光伏陣列模擬器控制方法與流程

2023-10-22 04:08:08 1

本發明涉及太陽能光伏發電技術領域，具體涉及一種基於模糊PI控制的大功率光伏陣列模擬器控制方法。

背景技術：

光伏陣列模擬器作為研究光伏發電系統的關鍵部件，在光伏陣列發電系統研發測試當中，相比於利用光伏陣列組件進行測試，光伏陣列模擬器不僅可以節約研發場地面積、降低研發成本、縮短開發周期；而且其還可以不依賴自然環境模擬各種工況下的光伏輸出特性，為研究提供了極大的方便。

目前，針對光伏陣列模擬器的研究多集中於模擬器整體結構設計，如專利《一種太陽能電池模擬器》以及《一種可模擬任意工況下的光伏陣列組件輸出特性模擬器》等，均未提及模擬器高性能的控制方法；再者，市場上光伏陣列模擬器多採用BUCK直流變換器外加傳統的PI控制結構，這樣的控制方式存在諸多的不足之處，首先，BUCK變換器的輸出電壓的大小受限於器件以及輸入電壓的高低，在現有的器件條件下，無法做到大功率的光伏陣列模擬器；此外，BUCK變換器受限於電路結構本身，只能充電不能放電，從而其動態性能受到極大地限制；再者，傳統的PI控制器雖然簡單，但也存在著動態性能差、抑制幹擾能力弱等缺點。

除此之外，大多數模擬器的設計並未考慮空載時開路電壓的控制，如果缺乏對開路電壓的控制，可能會造成輸出電壓不穩定，例如在模擬器空載時，如果反饋電流信號引入了一些幹擾信號，則會造成輸出電壓起伏抖動，甚至造成模擬器不受控的升壓，從而對設備的安全性提出了挑戰。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服傳統光伏陣列模擬器的控制方法不足之處，提出一種基於模糊PI控制的大功率光伏陣列模擬器控制策略，結合模糊控制和PI控制的各自優勢，主要針對基於但不限於三相PWM整流的大功率光伏陣列模擬器的控制，同時考慮到實際產品的安全性、穩定性問題，特別針對模擬器開路電壓設計了單獨的控制迴路。

為實現以上目的，本發明採取的技術方案如下：

一種基於模糊PI控制的大功率光伏陣列模擬器控制方法，在控制結構的基礎上對模擬器進行控制，所述控制結構包括光伏陣列輸出V-I特性曲線模塊、模糊控制器、PI控制器、Park變換模塊、Clark變換模塊和SVPWM控制器；

控制過程包括步驟：

採集模擬器直流輸出電壓Vdc和直流輸出電流Idc，並將直流輸出電壓Vdc作為光伏V-I特性曲線模塊的輸入量，所述光伏V-I特性曲線模塊的輸出為直流參考電流Idc_ref，當模擬器開路時，所述光伏V-I特性曲線模塊的輸出為開路電壓Voc；

採集模擬器電壓輸出信號Vdc作為光伏陣列輸出V-I特性曲線模塊的輸入信號，光伏陣列輸出V-I特性曲線模塊的輸出信號Idc_ref作為模擬器電流輸出信號Idc的參考信號；

獲取直流電流誤差信號Δidc作為模糊控制器的輸入，所述電流誤差信號Δidc為模擬器輸出電流信號Idc與其參考信號Idc_ref的差值；

如果光伏陣列輸出V-I特性曲線模塊輸出信號Idc_ref為0，表示此時模擬器開路運行，則取光伏陣列組件開路電壓Voc作為模擬器輸出電壓Vdc的參考電壓，並將兩者的誤差作為PI控制器的輸入；所述光伏陣列組件開路電壓Voc為光伏陣列輸出V-I特性曲線模塊設置的最大輸出電壓；

通過判斷模擬器是否空載選取模糊控制器或者P控制器的輸出作為id的參考信號id_ref，所述id為三相輸入電流iabc經過Park變換模塊的dq同步旋轉坐標變換後的d軸電流；

獲取d軸與q軸的誤差信號分別作為各自PI控制器的輸入，所述d軸誤差信號是id與參考信號id_ref的差值，q軸誤差信號是0與三相輸入電流iabc經Park變換模塊的dq同步坐標坐標變換後q軸電流iq的差值；

d軸和q軸誤差信號通過PI控制器輸出的參考信號分別引入電壓前饋補償ed、eq以及電流狀態反饋補償iq*ωL、id*ωL得到參考信號ud、uq，將參考信號ud和uq作為Clark變換模塊的輸入，所述的ed、eq為三相輸入電壓uabc經Park變換模塊的dq同步坐標坐標變換後的輸出值，ω是三相輸入電壓的角頻率，L是輸入電感大小值，Clark變換模塊為由dq同步旋轉坐標系轉換到αβ垂直靜止坐標系的轉換結構；

Clark變換模塊的輸出經過SVPWM控制器最終得到三相PWM整流電路開關管的控制信號。

與現有技術相比，本發明的優勢體現在：

1、採用模糊PI控制，既比單獨的模糊控制擁有更小的穩態誤差，又比單獨的PI控制擁有更好的動態性能，更快的收斂速度，以及更小的超調量。

2、本發明採用級聯式的模糊PI控制，模糊控制器和PI控制器可串聯也可並聯，相對於參數自整定模糊PI控制器，減少了PI參數調整的過程，簡化了運算過程，節約了系統資源，但同樣達到了相似的控制目的。

3、針對光伏陣列模擬器開路電壓進行控制，保證了系統穩定的運行，提升了系統抗幹擾以及抗失穩的能力，強化了系統的安全性能。

4、採用三相PWM整流電路，能夠使光伏陣列模擬器運行在100kVA功率級以上。

5、在開路電壓單獨控制是，P控制器可以和後面的PI控制器組合成新的PI控制器，保證開路時電壓的無差控制，且P控制器相比其他控制器更簡單，從而也就大大減少了系統運算量。

附圖說明

圖1是模糊PI控制的整體框圖；

圖2是模糊控制器的結構框圖；

圖3是模糊隸屬度函數圖；

圖4是採用開路控制與不採用開路控制的比較圖；

圖5是負載突變電壓電流波形圖；

圖6是溫度突變電壓電流波形圖；

圖7是光照強度突變電壓電流波形圖；

圖8是二極體鉗位三相PWM整流電路。

具體實施方式

本發明的目的在於克服傳統光伏陣列模擬器的控制方法不足之處，提出一種基於模糊控制和PI控制相結合的大功率光伏陣列模擬器控制策略，結合模糊控制和PI控制的各自優勢，主要針對基於但不限於三相PWM整流的大功率光伏陣列模擬器的控制，同時考慮到實際產品的安全性、穩定性問題，特別針對模擬器開路電壓設計了單獨的控制迴路。本發明控制結構簡單，控制效果良好，即能夠提高單獨PI控制器的動態響應能力，又能夠彌補單獨模糊控制所帶來的穩態精度低的缺陷，同時針對開路電壓的控制也為整個系統的安全穩定運行提供了保障。

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步的詳細描述，但下文所揭示的內容為本發明的原理，並不局限於僅此一例。

圖1給出了具體的模糊PI控制的結構框圖。主要由光伏陣列輸出V-I特性曲線模塊(PV Model)、模糊控制器、PI控制器、Park變換模塊(abc→dq)、Clark變換模塊(dq→αβ)、以及SVPWM控制器組成，參照圖1基於模糊PI控制的大功率光伏陣列模擬器具體控制步驟如下：

S10、通過採集光伏陣列模擬器(簡稱模擬器)的輸出電壓Vdc和輸出電流Idc，將Vdc與光伏陣列V-I特性曲線模型中的電壓比較得到參考電流Idc_ref，然後與實際值Idc作比較，得出誤差信號送入模糊控制器Fuzzy，模糊控制器的輸出為d軸參考電流id_ref；如果Idc_ref的值為0，則表明此時模擬器開路，則id_ref的信號不經過模糊控制器產生，而直接通過對開路電壓的控制產生，如圖1上半部分，開路電壓Voc與實際值Vdc做差產生的誤差信號經PI控制器產生參考信號id_ref。這樣做的目的是1).單獨控制開路電壓，使得系統安全穩定運行；2).PI控制器結構簡單，相對於模糊控制器以及其他種類的控制器計算量更小，而且可以與後面的PI控制器組合成新的PI控制器，保障輸出電壓的無差控制，特別適合這種控制目的明確單一的情況。

模糊PI控制由模糊控制器和PI控制器串聯或並聯組成，串聯情況下前級為模糊控制，後級為PI控制；所述開路電壓單獨控制迴路，其運行於模擬器開路狀態，在此狀態下，光伏V-I曲線模塊輸出為開路額定電壓Voc，後接P控制器輸出d軸參考電流id_ref。

S20、id_ref與d軸電流id做差得到誤差信號並送入PI控制器，PI控制器加上前饋電壓補償ed以及電流狀態反饋補償iq*ωL得到d軸電壓參考ud；q軸的控制與d軸類似，不過電流狀態反饋補償id*ωL與d軸的補償符號相反。

S30、經過PI控制器以及補償後的輸出參考信號ud、uq再經過Clark變換，最後將變換後的輸出作為SVPWM控制器的輸入信號，SVPWM產生三相PWM整流電路各個開關管的控制信號，控制輸出電壓與電流從而達到控制的目的。

所述光伏陣列輸出V-I特性曲線模塊中的V-I特性曲線採用工程用數學模型生成，其生成公式如下：

輸出的電流I與輸出電壓V的關係：

上式參數包括光伏陣列電池的短路電流Isc、開路電壓Voc、最大功率點電流Im以及最大功率點電壓Vm，其中C1和C2分別為：

由(2)、(3)式可見：當光伏陣列電池參數Isc、Im、Voc、Vm確定時，C1、C2為常數，可以通過將C1、C2帶入(1)式來求得光伏陣列電池的V-I曲線。如果太陽輻照度或者溫度發生變化時，則需要重新估算新狀態下(此時假設太陽輻照度為R，電池溫度為T)的電池參數Isc-new、Im-new、Voc-new、Vm-new，然後得到新的C1、C2，再由此得出新狀態下的光伏陣列V-I曲線。新狀態下的電池參數可通過以下式子估算：

ΔT＝T-Tref (4)

Voc-new＝Voc[(1-cΔT)ln(e+bΔR)] (8)

Vm-new＝Vm[(1-cΔT)ln(e+bΔR)] (9)

其中參數包括標準狀況下的太陽輻照度參考值Rref＝1kW/m2,光伏陣列電池溼度參考值Tref＝25℃。

或者，也可以把光伏陣列V-I曲線表作為光伏陣列輸出V-I特性曲線的生成模塊，V-I表中的數據可採用工程用數學模型生成或者光伏陣列電池廠家提供，光伏陣列V-I曲線表可以減少模擬器的運算量，但同時也佔用了模擬器的大量存儲空間。可根據實際需求做出相應的調整。

所述的模糊控制模塊採用輸入為誤差與誤差變化率作的二維輸入結構，輸入輸出變量論域均被規範化為{-6,-4,-2,0,2,4,6}，隸屬度函數採用幅值為1的等腰三角形，模糊子集定義為﹛負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)﹜，量化因子Ke、Kec、Ko可以通過下面的公式確定，然後再根據實際控制情況進行微調。

其中，n為誤差、誤差變化率以及輸出控制量量化後分成的檔數，一般與所選語言值個數相同；emax、ecmax、Omax為誤差、誤差變化率以及輸出控制量的最大值。

所述dq變換又稱Park變換，其變換公式為：

所述αβ變換又稱Clark變換，其變換公式為：

圖2為S10中所述的模糊控制器結構圖，誤差信號e(n)為直流電流信號Idc與參考信號Idc_ref的差值，Ke、Kec以及Ko是誤差、誤差變化率以及控制輸出的量化係數，模糊控制器的輸出為控制信號的增量，所以通過輸出的增量加上模糊控制器上一時刻的輸出id_ref(n-1)作為本次輸出的控制量id_ref(n)。

模糊控制器的輸入輸出變量論域均被規範化為{-6,-4,-2,0,2,4,6}；隸屬度函數採用幅值為1的等腰三角形，如圖3所示，其中模糊子集定義為﹛負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)﹜。由控制目標結合專家經驗我們可以推出49條控制規則，如下表1所示。在控制器完成模糊推理後，我們採用重心法解模糊獲得精確的輸出量O(n)，即：

其中f(O(n)k)是O(n)k處的隸屬度。

表1模糊控制規則表

圖4是開路電壓採用不同控制策略的比較圖，其中曲線A表示當輸出電壓升至開路電壓後不採用開路電壓控制策略的輸出電壓圖，B表示採用開路電壓控制策略的輸出電壓圖，從圖中可見針對開路電壓的單獨控制能夠很好的穩定輸出電壓，避免的不穩定因素造成的安全問題。

圖5、圖6、圖7是各種工況變化下的輸出電流電壓圖，其中圖5是負載突降時的變化圖，圖6是溫度圖升時的變化圖，圖7是光照度突降時的變化圖。從這些圖中可以看出結合模糊PI控制的光伏陣列模擬器能夠很好的適應變化，其動態響應速度十分迅速，穩態精度也相對較高。

圖8是本例所採用的二極體鉗位三相PWM整流電路，在現階段器件發展情況下，採用這種整流電路能夠大大提升系統的功率等級，從而為大功率光伏模擬器的實現提供了條件；類似的電路還有電容鉗位三相PWM整流電路以及多並聯型整流電流等。

雖然本發明是通過具體實施例進行說明的，本領域技術人員應當明白，在不脫離本發明範圍的情況下，還可以對本發明進行各種變換及等同替代。另外，針對特定情形或應用，可以對本發明做各種修改，而不脫離本發明的範圍。因此，本發明不局限於所公開的具體實施例，而應當包括落入本發明權利要求範圍內的全部實施方式。