基于模糊PI的光伏逆变器控制策略研究

基于模糊PI的光伏逆变器控制策略研究

杨玉莉蔡兆山

（中国华电集团有限公司甘肃公司731600）

摘要：本文针对传统PI控制的光伏逆变器控制精度不高，抗干扰性能较差的问题，提出了基于模糊PID的控制方法，构建了光伏发电主体框图，设计了光伏并网逆变器，运用matlab/simulink进行了仿真研究，仿真结果表明，模糊PID控制相比于传统的PID控制控制精度更高，抗干扰性能更强。

关键词：光伏并网逆变器；模糊PID控制；抗干扰

1引言

能源是国民经济和人民生活发展的重要基础环节[1]。它是促进社会经济发展，提高人民生活水平的决定因素。能源变化往往是由社会生产发展的需求所驱动，能源生产和消费的革命又反过来推动社会生产力的飞跃。这导致对能源需求的质量和数量已经成为评判一个国家经济发展水平的核心要点。

随着能源需求的不断增加，传统化石能源不断紧缺，与此同时，传统化石能源的日渐使用使得环境污染愈发严重，生态平衡亦遭到严重破坏[2]。鉴于此，一场新能源革命正在逐渐展开。其中，太阳能作为最具潜力的可再生能源，因其利用的清洁性、储量的无限性、存在的普遍性等特点而得到了快速发展，其在电力行业所占的比重不断提高。本文以光伏并网发电系统作为主体对象，研究其控制策略并进行仿真验证，同时对其抗干扰性能进行分析。

2光伏并网发电系统组成

太阳能光伏并网发电系统主要由太阳能电池阵列、电池组、逆变器和控制模块等组成[3]。总的来说，可分为两种，一种是“可变光伏并网发电系统”，它包含储能链路，另一种是“不可控光伏并网发电系统”，它不包含能量存储链路直接连接到网络。其基本工作原理为：首先，光伏电池阵列被太阳照射，由太阳能电池内部产生光伏效应，使其产生的能量直接被变换为直流电能。此外，其输出端通过一定的器件连接到控制器。一般情况下，一端连接充、放电电池，其另外一个输出端子通过将直流电变换为交流电流而连接到逆变器，该交流电流可以向相应的交流负载供电，并且还可以通过调节相位向电网输出相同频率和相位的交流电流。以上这些协调工作就构成了完整的发电，输电和供电单元。

光伏并网系统一般采用的都是两级逆变器。其工作过程大致如下：首先，电压经过变换器后升高电压，然后进行逆变，最后过滤多余谐波向并网侧输入干净单一电流。其控制过程是：将参考电流的给定值与实际电网中电流的瞬时采样值进行比较，并反馈给相应的控制器加以处理。在调整偏差值后，由PWM模块产生SPWM控制信号，进而驱动功率开关器件完成一定操作。最后，滤波的电感被馈送到相同频率的正弦电流和给定的电网电压当中去。

3光伏并网控制器设计

3.1控制系统建模

光伏并网发电系统采用全桥逆变电路。光伏阵列产生的直流电逆变为交流电输出。此外，滤波电路用于对谐波进行滤波并连接到电网。利用单极性的PWM调制出高质量的正弦电流波形。光伏并网逆变器控制框图如图1所示：G1（s），G2（s）和G3（s）可以看作是滤波器链路，逆变器链路和PI调节链路。此外，并网电流的标值信号i*，电网并入后的电流I，逆变器输出电压U1和交流电网中的电压Us满足如下关系：

（1）

当光伏系统连接到电网时，其并网条件为：其输出电压必须与电网电压同步，即幅值、相位、频率三者相同或误差在允许的范围之内。即：

（2）

滤波环节传递函数为：

（3）

逆变电路可可等效为一小惯性环节，其传递函数为：

（4）

3.2并网逆变器控制器设计

模糊控制是模仿人类的经验建立的。将这些经验进行科学总结,通过模糊控制的语言条件表达出来，形成了一种定性、但不精确的控制规则，这一规则成为模糊控制特有的控制规则。模糊控制量经模糊数学表示出来，形成模糊控制算法，这一控制算法运用于计算机，经推理运算，调节控制系统，最终成为模糊控制理论。模糊控制在近几十年中的发展非常迅速。模糊具有以下优点：(1)不需要对被控对象建立精准的数学模型，就可以调节控制系统；(2)具有一定的思维能力；(3)模糊控制的语句简单易懂；(4)模糊控制器的构造比较容易；(5)鲁棒性好，有很强的适应能力，有自调整能力。

本文设计的光伏并网逆变器控制框图如图2所示，本文采用模糊控制的四个规则。

（1）若和都为正，则；

（2）若为正并且为负，则；

（3）若为负并且为正，则；

（4）若和都为负，则。

图1光伏并网逆变器控制框图

4仿真验证

运用Matlab仿真软件对其进行仿真验证，研究光伏并网逆变器的控制策略，在Simulink环境中搭建出了光伏并网逆变器的模糊PID控制模型。进行仿真研究时，利用Z-N参数调整法则对PID参数进行整定。图3为传统PID控制策略和模糊PID控制时电压输出的波形，从图中可以看出模糊PID控制相较与传统的PID控制具有更小的跟踪误差，同时使得光伏系统超调量减小，总的调整时间减少，使得系统能

够更快更好的做出反应。

图2光伏并网逆变器模糊PID控制框图

图3两种控制下的电压输出波形

5结论

本文以光伏并网逆变器为控制对象，研究了光伏并网逆变器控制中存在的问题，建立了光伏并网逆变器的数学模型，在此基础上设计了基于模糊PID的光伏并网逆变器控制器，并运用matlab/simulink进行了仿真研究，仿真结果表明，模糊PID控制相比于传统的PID控制可以减小系统的超调量，加快系统的响应速度，同时使得系统的稳态误差更小。

参考文献

[1]刘保柱,苏彦华,张宏林.MATLAB7.0从入门到精通.北京:人民邮电出版社.2010(修订版).

[2]吴丽红.太阳能光伏发电及其并网控制技术的研究.华北电力大学硕士学位论文[D].2011：2-32.

[3]樊艳芳,张占锋,王一波,张雪,何军.可调度型光伏并网逆变器直接电流控制策略研究[J].可再生能源,2018,36(04):532-538.

作者简介

杨玉莉，女，土族，1986年11月生，甘肃永靖人，助理工程师，光伏发电及变电运行管理。