基于模糊PI控制的大功率光伏阵列模拟器控制方法与流程

文档序号:11153032
基于模糊PI控制的大功率光伏阵列模拟器控制方法与制造工艺

本发明涉及太阳能光伏发电技术领域,具体涉及一种基于模糊PI控制的大功率光伏阵列模拟器控制方法。



背景技术:

光伏阵列模拟器作为研究光伏发电系统的关键部件,在光伏阵列发电系统研发测试当中,相比于利用光伏阵列组件进行测试,光伏阵列模拟器不仅可以节约研发场地面积、降低研发成本、缩短开发周期;而且其还可以不依赖自然环境模拟各种工况下的光伏输出特性,为研究提供了极大的方便。

目前,针对光伏阵列模拟器的研究多集中于模拟器整体结构设计,如专利《一种太阳能电池模拟器》以及《一种可模拟任意工况下的光伏阵列组件输出特性模拟器》等,均未提及模拟器高性能的控制方法;再者,市场上光伏阵列模拟器多采用BUCK直流变换器外加传统的PI控制结构,这样的控制方式存在诸多的不足之处,首先,BUCK变换器的输出电压的大小受限于器件以及输入电压的高低,在现有的器件条件下,无法做到大功率的光伏阵列模拟器;此外,BUCK变换器受限于电路结构本身,只能充电不能放电,从而其动态性能受到极大地限制;再者,传统的PI控制器虽然简单,但也存在着动态性能差、抑制干扰能力弱等缺点。

除此之外,大多数模拟器的设计并未考虑空载时开路电压的控制,如果缺乏对开路电压的控制,可能会造成输出电压不稳定,例如在模拟器空载时,如果反馈电流信号引入了一些干扰信号,则会造成输出电压起伏抖动,甚至造成模拟器不受控的升压,从而对设备的安全性提出了挑战。



技术实现要素:

本发明的目的在于克服传统光伏阵列模拟器的控制方法不足之处,提出一种基于模糊PI控制的大功率光伏阵列模拟器控制策略,结合模糊控制和PI控制的各自优势,主要针对基于但不限于三相PWM整流的大功率光伏阵列模拟器的控制,同时考虑到实际产品的安全性、稳定性问题,特别针对模拟器开路电压设计了单独的控制回路。

为实现以上目的,本发明采取的技术方案如下:

一种基于模糊PI控制的大功率光伏阵列模拟器控制方法,在控制结构的基础上对模拟器进行控制,所述控制结构包括光伏阵列输出V-I特性曲线模块、模糊控制器、PI控制器、Park变换模块、Clark变换模块和SVPWM控制器;

控制过程包括步骤:

采集模拟器直流输出电压Vdc和直流输出电流Idc,并将直流输出电压Vdc作为光伏V-I特性曲线模块的输入量,所述光伏V-I特性曲线模块的输出为直流参考电流Idc_ref,当模拟器开路时,所述光伏V-I特性曲线模块的输出为开路电压Voc

采集模拟器电压输出信号Vdc作为光伏阵列输出V-I特性曲线模块的输入信号,光伏阵列输出V-I特性曲线模块的输出信号Idc_ref作为模拟器电流输出信号Idc的参考信号;

获取直流电流误差信号Δidc作为模糊控制器的输入,所述电流误差信号Δidc为模拟器输出电流信号Idc与其参考信号Idc_ref的差值;

如果光伏阵列输出V-I特性曲线模块输出信号Idc_ref为0,表示此时模拟器开路运行,则取光伏阵列组件开路电压Voc作为模拟器输出电压Vdc的参考电压,并将两者的误差作为PI控制器的输入;所述光伏阵列组件开路电压Voc为光伏阵列输出V-I特性曲线模块设置的最大输出电压;

通过判断模拟器是否空载选取模糊控制器或者P控制器的输出作为id的参考信号id_ref,所述id为三相输入电流iabc经过Park变换模块的dq同步旋转坐标变换后的d轴电流;

获取d轴与q轴的误差信号分别作为各自PI控制器的输入,所述d轴误差信号是id与参考信号id_ref的差值,q轴误差信号是0与三相输入电流iabc经Park变换模块的dq同步坐标坐标变换后q轴电流iq的差值;

d轴和q轴误差信号通过PI控制器输出的参考信号分别引入电压前馈补偿ed、eq以及电流状态反馈补偿iq*ωL、id*ωL得到参考信号ud、uq,将参考信号ud和uq作为Clark变换模块的输入,所述的ed、eq为三相输入电压uabc经Park变换模块的dq同步坐标坐标变换后的输出值,ω是三相输入电压的角频率,L是输入电感大小值,Clark变换模块为由dq同步旋转坐标系转换到αβ垂直静止坐标系的转换结构;

Clark变换模块的输出经过SVPWM控制器最终得到三相PWM整流电路开关管的控制信号。

与现有技术相比,本发明的优势体现在:

1、采用模糊PI控制,既比单独的模糊控制拥有更小的稳态误差,又比单独的PI控制拥有更好的动态性能,更快的收敛速度,以及更小的超调量。

2、本发明采用级联式的模糊PI控制,模糊控制器和PI控制器可串联也可并联,相对于参数自整定模糊PI控制器,减少了PI参数调整的过程,简化了运算过程,节约了系统资源,但同样达到了相似的控制目的。

3、针对光伏阵列模拟器开路电压进行控制,保证了系统稳定的运行,提升了系统抗干扰以及抗失稳的能力,强化了系统的安全性能。

4、采用三相PWM整流电路,能够使光伏阵列模拟器运行在100kVA功率级以上。

5、在开路电压单独控制是,P控制器可以和后面的PI控制器组合成新的PI控制器,保证开路时电压的无差控制,且P控制器相比其他控制器更简单,从而也就大大减少了系统运算量。

附图说明

图1是模糊PI控制的整体框图;

图2是模糊控制器的结构框图;

图3是模糊隶属度函数图;

图4是采用开路控制与不采用开路控制的比较图;

图5是负载突变电压电流波形图;

图6是温度突变电压电流波形图;

图7是光照强度突变电压电流波形图;

图8是二极管钳位三相PWM整流电路。

具体实施方式

本发明的目的在于克服传统光伏阵列模拟器的控制方法不足之处,提出一种基于模糊控制和PI控制相结合的大功率光伏阵列模拟器控制策略,结合模糊控制和PI控制的各自优势,主要针对基于但不限于三相PWM整流的大功率光伏阵列模拟器的控制,同时考虑到实际产品的安全性、稳定性问题,特别针对模拟器开路电压设计了单独的控制回路。本发明控制结构简单,控制效果良好,即能够提高单独PI控制器的动态响应能力,又能够弥补单独模糊控制所带来的稳态精度低的缺陷,同时针对开路电压的控制也为整个系统的安全稳定运行提供了保障。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述,但下文所揭示的内容为本发明的原理,并不局限于仅此一例。

图1给出了具体的模糊PI控制的结构框图。主要由光伏阵列输出V-I特性曲线模块(PV Model)、模糊控制器、PI控制器、Park变换模块(abc→dq)、Clark变换模块(dq→αβ)、以及SVPWM控制器组成,参照图1基于模糊PI控制的大功率光伏阵列模拟器具体控制步骤如下:

S10、通过采集光伏阵列模拟器(简称模拟器)的输出电压Vdc和输出电流Idc,将Vdc与光伏阵列V-I特性曲线模型中的电压比较得到参考电流Idc_ref,然后与实际值Idc作比较,得出误差信号送入模糊控制器Fuzzy,模糊控制器的输出为d轴参考电流id_ref;如果Idc_ref的值为0,则表明此时模拟器开路,则id_ref的信号不经过模糊控制器产生,而直接通过对开路电压的控制产生,如图1上半部分,开路电压Voc与实际值Vdc做差产生的误差信号经PI控制器产生参考信号id_ref。这样做的目的是1).单独控制开路电压,使得系统安全稳定运行;2).PI控制器结构简单,相对于模糊控制器以及其他种类的控制器计算量更小,而且可以与后面的PI控制器组合成新的PI控制器,保障输出电压的无差控制,特别适合这种控制目的明确单一的情况。

模糊PI控制由模糊控制器和PI控制器串联或并联组成,串联情况下前级为模糊控制,后级为PI控制;所述开路电压单独控制回路,其运行于模拟器开路状态,在此状态下,光伏V-I曲线模块输出为开路额定电压Voc,后接P控制器输出d轴参考电流id_ref

S20、id_ref与d轴电流id做差得到误差信号并送入PI控制器,PI控制器加上前馈电压补偿ed以及电流状态反馈补偿iq*ωL得到d轴电压参考ud;q轴的控制与d轴类似,不过电流状态反馈补偿id*ωL与d轴的补偿符号相反。

S30、经过PI控制器以及补偿后的输出参考信号ud、uq再经过Clark变换,最后将变换后的输出作为SVPWM控制器的输入信号,SVPWM产生三相PWM整流电路各个开关管的控制信号,控制输出电压与电流从而达到控制的目的。

所述光伏阵列输出V-I特性曲线模块中的V-I特性曲线采用工程用数学模型生成,其生成公式如下:

输出的电流I与输出电压V的关系:

上式参数包括光伏阵列电池的短路电流Isc、开路电压Voc、最大功率点电流Im以及最大功率点电压Vm,其中C1和C2分别为:

由(2)、(3)式可见:当光伏阵列电池参数Isc、Im、Voc、Vm确定时,C1、C2为常数,可以通过将C1、C2带入(1)式来求得光伏阵列电池的V-I曲线。如果太阳辐照度或者温度发生变化时,则需要重新估算新状态下(此时假设太阳辐照度为R,电池温度为T)的电池参数Isc-new、Im-new、Voc-new、Vm-new,然后得到新的C1、C2,再由此得出新状态下的光伏阵列V-I曲线。新状态下的电池参数可通过以下式子估算:

ΔT=T-Tref (4)

Voc-new=Voc[(1-cΔT)ln(e+bΔR)] (8)

Vm-new=Vm[(1-cΔT)ln(e+bΔR)] (9)

其中参数包括标准状况下的太阳辐照度参考值Rref=1kW/m2,光伏阵列电池湿度参考值Tref=25℃。

或者,也可以把光伏阵列V-I曲线表作为光伏阵列输出V-I特性曲线的生成模块,V-I表中的数据可采用工程用数学模型生成或者光伏阵列电池厂家提供,光伏阵列V-I曲线表可以减少模拟器的运算量,但同时也占用了模拟器的大量存储空间。可根据实际需求做出相应的调整。

所述的模糊控制模块采用输入为误差与误差变化率作的二维输入结构,输入输出变量论域均被规范化为{-6,-4,-2,0,2,4,6},隶属度函数采用幅值为1的等腰三角形,模糊子集定义为﹛负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)﹜,量化因子Ke、Kec、Ko可以通过下面的公式确定,然后再根据实际控制情况进行微调。

其中,n为误差、误差变化率以及输出控制量量化后分成的档数,一般与所选语言值个数相同;emax、ecmax、Omax为误差、误差变化率以及输出控制量的最大值。

所述dq变换又称Park变换,其变换公式为:

所述αβ变换又称Clark变换,其变换公式为:

图2为S10中所述的模糊控制器结构图,误差信号e(n)为直流电流信号Idc与参考信号Idc_ref的差值,Ke、Kec以及Ko是误差、误差变化率以及控制输出的量化系数,模糊控制器的输出为控制信号的增量,所以通过输出的增量加上模糊控制器上一时刻的输出id_ref(n-1)作为本次输出的控制量id_ref(n)

模糊控制器的输入输出变量论域均被规范化为{-6,-4,-2,0,2,4,6};隶属度函数采用幅值为1的等腰三角形,如图3所示,其中模糊子集定义为﹛负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)﹜。由控制目标结合专家经验我们可以推出49条控制规则,如下表1所示。在控制器完成模糊推理后,我们采用重心法解模糊获得精确的输出量O(n),即:

其中f(O(n)k)是O(n)k处的隶属度。

表1模糊控制规则表

图4是开路电压采用不同控制策略的比较图,其中曲线A表示当输出电压升至开路电压后不采用开路电压控制策略的输出电压图,B表示采用开路电压控制策略的输出电压图,从图中可见针对开路电压的单独控制能够很好的稳定输出电压,避免的不稳定因素造成的安全问题。

图5、图6、图7是各种工况变化下的输出电流电压图,其中图5是负载突降时的变化图,图6是温度图升时的变化图,图7是光照度突降时的变化图。从这些图中可以看出结合模糊PI控制的光伏阵列模拟器能够很好的适应变化,其动态响应速度十分迅速,稳态精度也相对较高。

图8是本例所采用的二极管钳位三相PWM整流电路,在现阶段器件发展情况下,采用这种整流电路能够大大提升系统的功率等级,从而为大功率光伏模拟器的实现提供了条件;类似的电路还有电容钳位三相PWM整流电路以及多并联型整流电流等。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的,本领域技术人员应当明白,在不脱离本发明范围的情况下,还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外,针对特定情形或应用,可以对本发明做各种修改,而不脱离本发明的范围。因此,本发明不局限于所公开的具体实施例,而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

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