一种基于模糊控制的光伏微网混合储能系统的制作方法

1.本发明属于光伏能源混合储能系统管理技术领域，更具体的说是涉及一种基于模糊控制的光伏微网混合储能系统。


背景技术：

2.光伏发电作为一种清洁能源已得到大力推广和规模化应用，作为可再生能源的光伏发电其发电性能与光照强度等环境参数相关，由于环境参数的变化会给光伏发电带来波动，同时也会造成发电与用电的不均衡匹配。随着各种储能技术的进步和快速化发展，储能系统与光伏发电系统的组合应用，可以有效的解决光伏发电的波动和提高整个能源系统的能源可用稳定性蓄电池具有功率密度小和循环寿命短等缺点，如果采用蓄电池作为这种用电设备的电源，一方面需要配置很大的容量才能满足负载的峰值功率需求，另一方面在输出频率较高的大功率时会造成蓄电池循环寿命大幅缩减。超级电容器的优点是功率密度大，储能效率高，充放电速度快，循环寿命长，缺点是能量密度和单体电压较低，还不能广泛应用于大容量、高电压的电力储能场合。如果将二者混合使用，可以优势互补，不仅能够增加混合储能系统功率输出能力，提高其耐压等级，延长蓄电池使用寿命，而且也可为高电压的电网储能研究提供一定参考价值。超级电容器和蓄电池本身在充放电过程中就具有非线性，两者若组成混合系统，非线性将会增加，因此采用传统的线性控制算法很难保证系统的可控性及稳定性，甚至会造成系统剧烈振荡。
3.因此，如何提供一种基于模糊控制的光伏微网混合储能系统成为了本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种基于模糊控制的光伏微网混合储能系统，从而能够提高响应灵敏度，稳定直流母线电压。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种基于模糊控制的光伏微网混合储能系统，包括：供电系统、电压采集单元一和模糊控制器；所述供电系统包括光伏电池板、单项转换器、蓄电池、功率变换器、超级电容器和双向功率变换器；其中，所述光伏电池板与单项转换器相连，所述单项转换器通过母线连接有负载；所述蓄电池通过所述功率变换器与所述母线相连，所述超级电容器通过所述双向功率变换器与所述母线相连；所述母线通过电压采集单元一与所述模糊控制器的输入端相连，所述模糊控制器的输出端与所述双向功率放大器相连。
7.进一步的，还包括驱动电路，所述模糊控制器通过所述驱动电路与所述双向功率放大器相连。
8.进一步的，还包括阈值判断模块和电压采集单元二，所述阈值判断模块与所述驱动电路相连，所述电压采集单元二与所述阈值判断模块相连。
9.进一步的，模糊控制器根据模糊规则实时平稳地调整双向功率变换器的幵关管占
空比。
10.进一步的，模糊控制器主要用于实现模糊化、模糊推理以及清晰化三部分；模糊化为将原始的输入输出变量清晰值映射成模糊子集及其隶属函数，并建立模糊控制规则；模糊推理为对模糊控制规则进行一定的优化处理，以减小计算量，提高响应能力，输出模糊量；清晰化为把模糊量变换成清晰量的过程。
11.进一步的，模糊化的实现方式为：
12.①
输入量模糊化
13.模糊控制器的输入量为直流母线电压与给定的基准电压之差u以及u的变化率e；输出量为双向功率变换器的占空比d；
14.将电压差值u的值从小到大转换成对应的模糊子集为：
15.{nbg，nsl，zeo，psl，pbg}，隶属度函数采用三角形隶属度函数；e的值也从小到大转换成对应的模糊子集{nbg，nsl，zeo，psl，pbg}，隶属度函数采用三角形隶属度函数；
16.②
输出量模糊化
17.将双向功率变换器的占空比d，转换成对应的模糊子集，隶属度函数采用三角形隶属度函数；
18.③
建立模糊规则表。
19.进一步的，模糊推理的实现方式为：
20.按照如下公式进行模糊推理：
[0021][0022]
在某个采样周期内，先计算出实际被激活的模糊关系，然后再求它们的并集。
[0023]
进一步的，清晰化的实现方式为：
[0024]
采用面积中心法进行清晰化计算；先求出模糊集合隶属函数曲线在对应横坐标范围内的积分，即它们包围的面积，再求出这个面积中心的横坐标值 ucen，此值即为去模糊化后的精确值；计算公式如下所示：
[0025][0026]
本发明的有益效果在于：
[0027]
本发明根据光伏储能系统的特点特征，能实现光照条件、温度条件改变时，系统自动追踪光伏电池的最大功率出力点，实现在负载投切及变换时，能平抑脉冲功率波动，维持直流母线电压稳定，增强系统的稳定性与实用性，适用于不同应用光伏微网的场合。
附图说明
[0028]
为了更清楚地说明本实用新式实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新式的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还
可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0029]
图1为本发明供电系统的结构示意图。
[0030]
图2为本发明模糊控制器的流程框图。
[0031]
图3为本发明混合储能系统逻辑控制图。
具体实施方式
[0032]
下面将结合本发明的实施例中，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0033]
参考图1-3，本发明提供了一种基于模糊控制的光伏微网混合储能系统，包括：供电系统、电压采集单元一和模糊控制器；所述供电系统包括光伏电池板、单项转换器、蓄电池、功率变换器、超级电容器和双向功率变换器；其中，所述光伏电池板与单项转换器相连，所述单项转换器通过母线连接有负载，单项转换器被用于从光伏阵列中提取运用最大功率追踪(mppt)算法得到的最大功率；所述蓄电池通过所述功率变换器与所述母线相连，所述超级电容器通过所述双向功率变换器与所述母线相连，用于保持负载端电压vo的稳定；所述母线通过电压采集单元一与所述模糊控制器的输入端相连，所述模糊控制器的输出端与所述双向功率放大器相连。
[0034]
蓄电池在系统中通常是维持母线上能量的功率平衡，在负载功率突变的时刻，光伏电池的功率可认为不变的，这要求蓄电池迅速的改变其充放电功率以满足负载要求。但蓄电池功率密度小的特点决定了蓄电池难以满足要求。
[0035]
此时如果超级电容器来提供负载功率突变部分(即负载功率的高频分量)，这样蓄电池就只需要提供负载功率变化的低频分量。这样可以极大地削减负载突变造成的对蓄电池的冲击，降低对蓄电池功率密度的要求，提高系统的动态响应。同时蓄电池可以更好地稳定直流母线电压，其充放电电流变化速率也得到了降低，蓄电池的工况有了很好地改善，这能减少蓄电池的损伤，延长蓄电池的使用寿命。
[0036]
蓄电池通过功率变换器与母线相连，超级电容器通过双向功率变换器与母线相连，功率变换器boost功率变换器，采用buck-boost拓扑结构，蓄电池通过功率变换器以恒流输出，避免大电流放电，延长了蓄电池的使用寿命。负载瞬时脉动功率由超级电容器组提供，因此在匹配方案的选择上会更加灵活，同时能够控制能量流动方向，提高容量利用率和系统输出功率。
[0037]
光伏电池本身就是一个p-n结，它的基本特性与二极管是类似的，它的等效电路主要由光生电流源和内部并联电阻和串联电阻组成，其伏安特性可表达成：
[0038][0039]il
为光伏电池输出电流，io为光伏电池内部等效二极管pn借的反向饱和电流，与电池材料自身性能有关，反映光伏电池对光生载流子的最大复合能力，是个常数，不受光照强度影响，q为电子电荷电量，k为玻尔兹曼常量，t为热力学温度，a为pn结的曲线常数。
[0040]
为了充分利用光伏电池的输出量，最大程度的发挥光伏电池的作用，最好的策略
是使光伏电池工作在最大功率点(mpp)上，通过扰动观察法：
[0041][0042]
当dp》du，工作点工作在最大功率点的左边，增加工作电压；
[0043]
当dp《du，工作点工作在最大功率点的右边，减少工作电压；
[0044]
当dp＝du，达到最大功率点；
[0045]
改变温度条件及光照条件改变，检验系统的自动控制能力。
[0046]
本发明还包括驱动电路，所述模糊控制器通过所述驱动电路与所述双向功率放大器相连。
[0047]
本发明还包括阈值判断模块和电压采集单元二，所述阈值判断模块与所述驱动电路相连，所述电压采集单元二与所述阈值判断模块相连。
[0048]
模糊控制器根据模糊规则实时平稳地调整双向功率变换器的幵关管占空比。模糊控制器主要用于实现模糊化、模糊推理以及清晰化三部分；为了使原始的输入输出变量清晰值与语言描述的模糊规则相适配，必须将其变换成模糊量。模糊量其实就是按一定比例放大或缩小的输入清晰值。模糊化为将原始的输入输出变量清晰值映射成模糊子集及其隶属函数，并建立模糊控制规则；模糊推理为对模糊控制规则进行一定的优化处理，以减小计算量，提高响应能力，输出模糊量；在经过模糊逻辑推理之后输出的是模糊量，它们不能直接对系统进行控制，需要变换成清晰量，清晰化为把模糊量变换成清晰量的过程。
[0049]
进一步的，模糊化的实现方式为：
[0050]
①
输入量模糊化
[0051]
模糊控制器的输入量为直流母线电压与给定的基准电压之差u以及u的变化率e；输出量为双向功率变换器的占空比d；模糊控制器结构采用型“双输入一单输出”控制结构。
[0052]
将电压差值u的值从小到大转换成对应的模糊子集为：
[0053]
{nbg，nsl，zeo，psl，pbg}，隶属度函数采用三角形隶属度函数；e的值也从小到大转换成对应的模糊子集{nbg，nsl，zeo，psl，pbg}，隶属度函数采用三角形隶属度函数；
[0054]
②
输出量模糊化
[0055]
将双向功率变换器的占空比d值[0.1]，转换成对应的模糊子集，隶属度函数采用三角形隶属度函数；
[0056]
③
建立模糊规则表。
[0057]
进一步的，模糊推理的实现方式为：
[0058]
按照如下公式进行模糊推理：
[0059][0060]
在某个采样周期内，先计算出实际被激活的模糊关系，然后再求它们的并集。在某个采样周期内，输入控制器的一个输入量不可能同时激活所有的模糊关系，即不可能激活
所有的模糊控制规则，因此必须对模糊控制规则的激活方面进行一定的优化处理，就是在某个采样周期内，先计算出实际被激活的模糊关系，然后再求它们的并集，这样可以大大减少计算量，提高控制器的响应能力。
[0061]
进一步的，清晰化的实现方式为：
[0062]
采用面积中心法进行清晰化计算；先求出模糊集合隶属函数曲线在对应横坐标范围内的积分，即它们包围的面积，再求出这个面积中心的横坐标值 ucen，此值即为去模糊化后的精确值；计算公式如下所示：
[0063][0064]
如图3所示为混合储能系统整体结构框架图。
[0065]
1)混合储能系统设计
[0066]
蓄电池作为主要供电单元，超级电容器组作为辅助供电单元。蓄电池通过功率变换器给负载供电，超级电容器组通过双向功率变换器给负载供电，负载要求电压稳定在。当负载以低功率正常运行时，蓄电池几乎提供全部能量；当负载发生变化，功率大幅升高时，直流母线电容会迅速弥补负载所需的大功率，储能减小，电压下降。
[0067]
①
等效模型
[0068]
超级电容器电感很小，故一般将其等效成电阻和电容串联的简易模型。蓄电池容量较大，短时间内小电流放电不会对蓄电池电压产生大的影响，故一般将蓄电池等效成一个恒压源和一个电阻串联的简易模型。
[0069]
②
系统输出电压：
[0070]
uo(s)＝u(s)-δu(s)
[0071]
u(s)为等效恒压源，
△
u(s)为系统内部电压降落。
[0072]
2)模糊控制器设计
[0073]
电压采集单元把直流母线电压的变化快速反映到模糊控制器中，模糊控制器根据模糊规则实时平稳地调整功率变换器的幵关管占空比，从而实现平抑脉冲功率波动和保持直流母线电压稳定。超级电容器功率密度大，对功率突变有较高的响应能力，因此在负载功率突增过程中主要由超级电容器负责供电，避免了蓄电池大电流放电。为了避免超级电容器组可能过度放电，因此系统附加了阈值判断。
[0074]
本发明根据光伏储能系统的特点特征，能实现光照条件、温度条件改变时，系统自动追踪光伏电池的最大功率出力点，实现在负载投切及变换时，能平抑脉冲功率波动，维持直流母线电压稳定，增强系统的稳定性与实用性，适用于不同应用光伏微网的场合。在光照条件、温度、负荷条件改变时，系统都能自动实现平抑脉冲功率波动和保持直流母线电压稳定，改善系统的响应能力。
[0075]
本发明根据孤岛型微网国内外混合储能技术的研究情况，分析光伏电池出力特点，建立基于最大功率点追踪(mppt)技术的光伏发电系统。根据超级电容器和蓄电池的结构和运行机理，设计蓄电池-超级电容器混合储能系统的仿真模型。针对混合储能系统存在的非线性特点和系统震荡的问题，采用模糊控制来实现直流母线电压的稳定。达到在光照
条件与负荷变化发生时，系统都能通过自动条件，实现稳定。
[0076]
本发明采用双向功率变换器和boost功率变换器作为并联控制器，采用模糊控制器代替以往的pid控制器，并在matlab/simulink进行了建模和仿真，实验结果验证了混合储能系统结构和控制策略的有效性。
[0077]
本发明的工作流程：
[0078]
首先，设计独立光伏微网的结构，由光伏阵列、蓄电池和超级电容组成的混合储能系统，以及双向支流变换器(buck-boost)、单向boost转换器组成。
[0079]
其次，光伏阵列通过一个boost转换器与负载(直流电网)相连。这里boost 转换器被用于从光伏阵列中提取运用最大功率追踪(mppt)算法得到的最大功率。
[0080]
再次，混合储能系统混合系统中蓄电池作为主要供电单元，超级电容器组作为辅助供电单元。蓄电池通过功率变换器给负载供电，超级电容器组通过双向功率变换器给负载供电，负载要求电压稳定在48v。当负载以低功率正常运行时，蓄电池几乎提供全部能量；当负载发生变化，功率大幅升高时，直流母线电容会迅速弥补负载所需的大功率，储能减小，电压下降。
[0081]
最后，电压采集单元会把直流母线电压的变化快速反映到模糊控制器中，模糊控制器根据模糊规则实时平稳地调整功率变换器的幵关管占空比，从而实现平抑脉冲功率波动和保持直流母线电压稳定。
[0082]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。