基于模糊控制的光伏储能系统的特性分析.pdf

第4 9卷 第2期2 0 2 3年6月延 边 大 学 学 报(自然科学版)J o u r n a l o f Y a n b i a n U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n)V o l.4 9 N o.2J u n.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 3 0 5 1 0基金项目:吉林省教育厅科研项目(J J KH 2 0 2 1 0 5 8 9 K J)第一作者:刘頔(1 9 9 8),女,硕士研究生,研究方向为非线性动力学.通信作者:徐红梅(1 9 7 5),女,博士,教授,研究方向为非线性动力学.文章编号:1 0 0 4-4 3 5 3(2 0 2 3)0 2-0 1 3 6-0 4基于模糊控制的光伏储能系统的特性分析刘頔,崔一然,徐红梅(延边大学 工学院,吉林 延吉 1 3 3 0 0 2)摘要:为提高光伏储能系统的控制性能和抑制外部干扰的能力,提出了一种自抗扰控制策略,即在电流内环采用双向变换器线性自抗扰控制策略,在电压外环采用模糊自抗扰控制策略.利用M a t l a b/S i m u l i n k仿真平台对传统P I、L A D R C控制器与基于模糊控制的L A D R C(f u z z y-L A D R C)控制器进行仿真对比表明,f u z z y-L A D R C控制器可有效抑制因多源干扰而引起的直流母线电压波动,并可提高光伏系统的跟踪性能和鲁棒性.关键词:光伏储能系统;双向变换器;自抗扰控制;模糊控制;鲁棒性中图分类号:TM 4 6 文献标识码:AA n a l y s i s o f c h a r a c t e r i s t i c s f o r p h o t o v o l t a i c e n e r g y s t o r a g e s y s t e m b a s e d o n f u z z y c o n t r o lL I U D i,C U I Y i r a n,XU H o n g m e i(C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g,Y a n b i a n U n i v e r s i t y,Y a n j i 1 3 3 0 0 2,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o i m p r o v e t h e c o n t r o l p e r f o r m a n c e a n d m i t i g a t e e x t e r n a l d i s t u r b a n c e s o f p h o t o v o l t a i c e n e r-g y s t o r a g e s y s t e m s,a s e l f-d i s t u r b a n c e r e j e c t i o n c o n t r o l s t r a t e g y w a s p r o p o s e d.S p e c i f i c a l l y,a b i d i r e c t i o n a l c o n v e r t e r l i n e a r s e l f-d i s t u r b a n c e r e j e c t i o n c o n t r o l s t r a t e g y w a s e m p l o y e d i n t h e c u r r e n t i n n e r l o o p,w h i l e a f u z z y s e l f-d i s t u r b a n c e r e j e c t i o n c o n t r o l s t r a t e g y w a s u t i l i z e d i n t h e v o l t a g e o u t e r l o o p.T h e u s e o f M a t l a b/S i m u l i n k s i m u l a t i o n p l a t f o r m w a s e m p l o y e d t o c o m p a r e t h e p e r f o r m a n c e o f t h e t r a d i t i o n a l P I a n d L A D R C c o n t r o l l e r s w i t h t h e f u z z y c o n t r o l-b a s e d L A D R C(f u z z y-L A D R C)c o n t r o l l e r.T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s d e m o n-s t r a t e t h a t f u z z y-L A D R C c o n t r o l l e r c a n e f f e c t i v e l y o v e r c o m e t h e p r o b l e m o f D C b u s v o l t a g e f l u c t u a t i o n c a u s e d b y m u l t i p l e s o u r c e s o f i n t e r f e r e n c e,a n d i m p r o v e t h e t r a c k i n g p e r f o r m a n c e a n d r o b u s t n e s s o f t h e p h o t o v o l t a i c s y s t e m.K e y w o r d s:p h o t o v o l t a i c e n e r g y s t o r a g e s y s t e m;b i d i r e c t i o n a l c o n v e r t e r;a u t o m a t i c d i s t u r b a n c e r e j e c t i o n c o n t r o l;f u z z y c o n t r o l;r o b u s t n e s s0 引言随着光伏(p h o t o v o l t a i c,P V)发电技术的发展和不断成熟,利用光伏发电已成为我国能源转型的重要方式之一.但在目前的光伏储能系统中,如何控制好直流母线电压和保证光伏电源与负载之间能量的有效传输仍是亟需解决的问题1.为此,一些学者对此进行了研究.例如:2 0 2 1年,C a b r a n e等2采用电池和超级电容器构建了一种具有混合储能功能的储能系统,该系统通过一个新设计的P I控制器来稳定直流母线电压和控制B u c k-B o o s t变换器.仿真结果证明,该系统能有 第2期刘頔,等:基于模糊控制的光伏储能系统的特性分析效保持直流母线电压的稳定.2 0 2 3年,J.H e i d a r y等3提出了一种自抗扰控制方法.该方法利用能源管理系统来保持直流母线电压的稳定,利用逆变器来控制微电网内部的电压、频率和功率;实验结果表明,该控制方法的性能显著优于传统的P I控制器.但在自抗扰控制器的相关研究中,由于涉及的可调参数较多,整定复杂,因此如何进一步提高参数的适应性和改善系统的鲁棒性仍需进一步研究.为此,本文提出了一种自抗扰控制策略(在电流内环采用双向变换器线性自抗扰控制策略,在电压外环采用模糊自抗扰控制策略),并分析了不同干扰因素(环境温度、光照、负载不确定等)对直流母线电压的影响.1 光伏储能系统的结构1.1 独立光伏储能系统的结构光伏储能系统是一种将光伏发电和储能设备相结合的系统.目前,光伏发电系统主要可分为3类:独立光伏系统、并网光伏系统以及混合光伏系统4.在独立运行的光伏发电系统中,为解决由天气因素而导致的发电量波动、发电效率低、能量不足等问题,系统必须通过配备储能介质来储存和调节能量5.在传统的独立光伏储能系统中,储能介质与直流母线直接相连接;但由于其在充放电时的电流难以得到有效的控制,因此当负载突变时,可能会导致储能介质的充放电的电流过大,进而导致储能系统的损坏:因此,需要在系统直流母线和储能介质之间插入一个D C/D C变换器,以控制储能介质能够平稳地充放电6.常见的独立光伏储能系统的结构如图1所示.系统由分布式电源、D C/D C变换器、负载、储能装置(一般为蓄电池)组成.分布式电源由光伏阵列组成.光伏阵列通过D C/D C升压变换器与直流母线相连接,其中D C/D C升压变换器用于控制储能装置的充放电,以此来稳定直流母线电压和 最 大 功 率 点 追 踪(m a x i m u m p o w e r p o i n t t r a c k i n g,MP P T)7.1.2 双向D C/D C变换器的工作原理双向D C/D C变换器是在单向B u c k或B o o s t变换器基础上构建的,其电路的拓扑结构如图2所示.该 变 换 器 具 有 结 构 简 单、转 换 效 率 高 的优点8.当双向D C/D C变换器处于降压模式时,开关管S1以PWM方式工作,开关管S2截止.此时,该变换器相当于一个单向B u c k电路,能量从直流母线端流向负载端,即储能介质处于充电状态.当双向D C/D C变换器处于升压模式时,开关管S1截止,开关管S2以PWM方式工作.此时,该变换器相当于一个单向B o o s t电路,能量从负载端流向直流母线端,即储能介质处于放电状态9.当直流母线电压值处于给定的范围内时,该变换器停止工作,即储能介质处于待机模式.图1 独立光伏储能系统的结构示意图图2 双向B u c k-B o o s t电路的拓扑结构2 模糊自抗扰控制器的设计2.1 自抗扰控制结构的设计图3为基于自抗扰控制的双向D C/D C变换器的控制结构图.其中,电压外环采用模糊自抗扰控制器,电流内环采用线性自抗扰控制器.双向D C/D C变换器的工作模式由电流环的电流给定值(Ir e f)确定1 0.当Ir e f0时,双向D C/D C变换器在B o o s t模式下工作.此时直流母线电压的给定值大于实际值,能量从储能介质端流向直流母线端1 1.731延边大学学报(自然科学版)第4 9卷 图3 双向D C/D C变换器的控制结构2.2 模糊自抗扰控制的结构设计研究表明,将自抗扰控制算法与模糊控制算法相结合的模糊自抗扰控制策略不仅可以有效控制直流母线电压的稳定,而且还可以提高控制系统的自适应能力和鲁棒性1 2.模糊自抗扰控制器的控制结构如图4所示.图4 模糊自抗扰控制器的控制结构研究显示,利用模糊自抗扰控制器在线调整控制量参数,不仅可以使系统能够适应复杂的外围环境,而且还可以获得更稳定的控制效果1 3.因此,本文在模糊自抗扰控制器中设置了2个控制量参数(1和2),并设定模糊控制器的输入量(k1)和输出量(k2)为观测器的增益误差.由此,基于 模 糊 控 制 的 线 性 自 抗 扰 控 制 器(f u z z y-L A D R C)的参数1和2可重新定义为:1=1+k11,2=2+k22.3 光伏储能系统的特性分析为验证f u z z y-L A D R C控制器对光伏储能系统的有效性,本文应用M a t l a b/S i m u l i n k平台建立了一个独立的光伏储能系统,同时在系统的电压外环中分别设计了3种控制方式:传统P I控制方式、L A D R C控制方式和f u z z y-L A D R C控 制方式.仿真参数见表1.3.1 3种控制器的跟踪性能分析为对比3种控制器的跟踪性能,在稳态情况下对系统的启动过程进行了测试.系统的稳态参数:光照强度为1 0 0 0W/m2,电池温度为2 5.图5为稳态时3种控制器的跟踪性能.由图5可以看出:本文提出的f u z z y-L A D R C控制器与传统P I控制器、L A D R C控制器相比,几乎没有超调现象,并且调节时间极快(0.0 0 5s).这表明,f u z z y-L A D R C控制器具有良好的跟踪性能.表1 仿真参数参数数值直流母线电压/V7 0 0直流母线侧电容/F5 0 0开关频率f/k H z5 0 0储能侧电容/F1 2 0储能电感/mH2负载电阻R/7 0图5 稳态时3种控制器的跟踪性能3.2 不同光照强度对系统鲁棒性的影响图6为光照突变时3种控制器的鲁棒性(在0.4 s处加入光照突变,光照强度从6 0 0W/m2突变至10 0 0 W/m2).由 图6可 以 看 出:f u z z y-L A D R C控制器的电压增量和调节时间显著低于传统P I控制器和L A D R C控制器.当光照强度从1 0 0 0W/m2恢复到6 0 0W/m2时,f u z z y-L A D R C控制器在电压过冲和暂态恢复时间上仍优于传统P I控制器和L A D R C控制器.这表明,在光照强度发生突变时,f u z z y-L A D R C控制器能够有效抑制其给系统带来的波动.3.3 不同电池温度对系统鲁棒性的影响图7为电池温度变化时3种控制器的鲁棒性.由图7可以看出:在温度扰动的情况下3种控制方式虽都可以保证系统的正常运行,但f u z z y-L A D R C控制器在电池温度突然下降时,其电压下冲和超调量明显小于传统P I控制器和L A D R C控831 第2期刘頔,等:基于模糊控制的光伏储能系统的特性分析制器.这表明,在不同电池温度下,f u z z y-L A D R C控制器能使直流母线电压快速恢复,比其他2种方式更能有效地保持储能系统的稳定性.图6 光照突变时3种控制器的鲁棒性图7 电池温度变化时3种控制器的鲁棒性3.4 不同负载变化对系统鲁棒性的影响图8为负载变化时3种控制器的鲁棒性(在0.6 s时将电阻由5 0跳变至7 0).由图8可以看出:在负载发生跳变的情况下,f u z z y-L A D R C控制器的电压波形范围和调节时间明显优于P I控制器和L A D R C控制器.这表明,在不同负载变化下,f u z z y-L A D R C控制器能够有效抑制负载扰动给系统带来的波动.图8 负载变化时3种控制器的鲁棒性4 结论对本文提出的f u z z y-L A D R C控制器进行研究显示,该控制器对光伏储能系统的外部干扰具有良好的鲁棒性,且可提高系统的运行效率;因此,该控制器可为光伏储能系统的设计研究提供良好参考.在今后的研究中,我们将结合其他控制方法以进一步提高系统的控制效率和稳定性.参考文献:1 邹才能,熊波,薛华庆,等.新能源在碳中和中的地位与作用J.石油勘探与开发,2 0 2 1,4 8(2):4 1 1-4 2 0.2 C A B R AN E Z,K I M J,YOO K,e t a l.HE S S-b a s e d p h o t o v o l t a i c/b a t t e r i e s/s u p e r c a p a c i t o r s:E n e r g y m a-n a g e m e n t s t r a t e g y a n d D C b u s v o l t a g e s t a b i l i z a t i o nJ.S o l a r E n e r g y,2 0 2 1,2 1 6:5 5 1-5 6 3.3 HE I D A R Y J,GHE I S AN E J A D M,KHOO B AN M H.S t a b i l i t y e n h a n c e m e n t a n d e n e r g y m a n a g e m e n t o f A C-D C m i c r o g r i d b a s e d o n a c t i v e d i s t u r b a n c e r e j e c-t i o n c o n t r o lJ.E l e c t r i c P o w e r S y s t e m s R e s e a r c h,2 0 2 3,2 1 7:1 0 9 1 0 5.4 尹淞,郝继红.我国太阳能光伏发电技术应用综述J.电力技术,2 0 0 9(3):1-4.5 J AVA D I M S,G OUGH M,L O T F I M,e t a l.O p t i-m a l s e l f-s c h e d u l i n g o f h o m e e n e r g y m a n a g e m e n t s y s t e m i n t h e p r e s e n c e o f p h o t o v o l t a i c p o w e r g e n e r-a t i o n a n d b a t t e r i e sJ.E n e r g y,2 0 2 0,2 1 0:1 1 8 5 6 8.6 廖志凌,阮新波.独立光伏发电系统能量管理控制策略J.中国电机工程学报,2 0 0 9,2 9(2 1):4 6-5 2.7 HA GH I GH I AN S K,T OH I D I S,F E Y Z I M R,e t a l.D e s i g n a n d a n a l y s i s o f a n o v e l S E P I C-b a s e d m u l t i-i n p u t D C/D C c o n v e r t e rJ.I E T P o w e r E l e c-t r o n i c s,2 0 1 7,1 0(1 2):1 3 9 3-1 4 0 2.8 黄炼,王朴,武建文,等.分布式光 储发电系统的双向D C-D C非线性控制J.电工技术学报,2 0 1 6,3 1(S 2):1 0-1 8.9 张卫平.开关变换器的建模与控制M.北京:中国电力出版社,2 0 0 6:5-1 0.1 0 杨惠,骆姗,孙向东,等.光伏储能双向D C-D C变换器的自 抗 扰 控 制 方 法 研 究 J.太 阳 能 学 报,2 0 1 8,3 9(5):1 3 4 2-1 3 5 0.1 1 周雪松,谢冰杰,马幼捷,等.基于改进自抗扰的双向D C-D C变换器控制策略研究J.电气传动,2 0 2 2,5 2(1 5):1 0-1 6.1 2 刘向杰,周孝信,柴天佑.模糊控制研究的现状与新发展J.信息与控制,1 9 9 9,2 8(4):2 8 3-2 9 2.1 3 F O S S A T I J P,G A L A R Z A A,MA R T I N-V I L L A T E A,e t a l.O p t i m a l s c h e d u l i n g o f a m i c r o g r i d w i t h a f u z z y l o g i c c o n t r o l l e d s t o r a g e s y s t e mJ.I n t e r n a-t i o n a l J o u r n a l o f E l e c t r i c a l P o w e r&E n e r g y S y s-t e m s,2 0 1 5,6 8:6 1-7 0.931