光伏并網系統的混成控制研究

李 莎 粟時平 劉桂英 范孝春 黃 飛

（長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙 410004）

傳統能源短缺和環境污染催生可再生能源的開發和利用，而太陽能又以清潔環保、來源之廣而備受人們青睞。近年來，光伏并網系統已經成為光伏發電市場的主流[1]。光伏發電的不連續性和隨機性決定了光伏發電系統是一個復雜的非線性系統，而且光伏陣列的輸出功率隨著外界環境溫度、輻照度等因素影響變化頻繁[2]。最大限度地跟蹤光伏陣列最大功率點和向電網提供穩定、優質的電能是光伏并網系統最主要的控制目標。在光伏并網系統中，并網逆變器作為光伏陣列并入電網的重要接口，并網逆變器本身的工作特性就是典型的混成動態系統特性，因此，在光伏并網系統中引入混成控制思想，能夠更好的適應外界環境因素的變化、實現多種目標控制。

針對光伏并網系統具有典型的混成系統特性，本文在分析了光伏并網系統的混成特性之后，提出了單相光伏并網系統混成控制策略。該控制策略是以邏輯條件作為離散事件，離散事件在自動機的作用下改變系統的運行模式，從而達到消除事件的目的。該控制方法能夠快速響應外界環境變化、提高并網電能質量、保證系統安全穩定運行，對光伏并網系統的深入研究具有一定的實際意義。

1 混成控制理論

1.1 混成控制系統結構

混成控制系統，通常是指其被控制對象或控制器中同時含有離散模型和連續模型，且這兩種模型相互影響共同確定系統的性能。離散模型在控制中通常以離散決策者的形式出現，一個切換選擇器或限幅器也可以是控制器的離散部分，而連續模型通常由微分方程或差分方程來描述[3]。混成控制理論是為解決非線性、隨機干擾性等復雜系統控制問題提供的新思想。

混成控制系統主要由連續變量動態系統、離散事件動態系統和接口這3個部分構成，可以看成分層結構的小型復雜混成控制系統，如圖1所示。其中，離散事件動態系統可用邏輯語言來描述，在接受到接口中的最新變量信息之后分析系統的運行情況，并根據最新信息判斷定義的事件是否發生，而決定向連續變量動態系統發送相應的控制指令；連續變量動態系統一般用微分方程或差分方程來描述，從上層中輸出的控制指令將決定連續變量動態系統的狀態模式的變遷；由事件發生器和執行器組成的接口主要用于兩系統之間的信息交換[4-7]。

圖1 混成控制系統分層結構圖

1.2 混成控制系統建模

混成控制系統建模方法一般有兩大類：①基于離散事件動態系統的建模方法，連續系統運行過程由離散事件來劃分狀態區間，連續動態行為作為離散系統的下層嵌入到系統中來，用多 Agent、有限自動機、Petri網、極大代數等方法來描述復雜的離散動態系統；②基于連續變量動態系統的建模方法離散事件被當成連續系統狀態切換的條件，將表示時間和連續變量的微分方程或差分方程進行拓展，以包含體現狀態演變的離散事件和變量，如事件流模型、混合邏輯動態系統模型、切換系統模型、仿射型混雜控制模型等[8]。

2 光伏并網發電系統的混成特性分析

在光伏并網系統中，整個系統由光伏陣列、并網逆變器和電網組成，光伏陣列產生電能、變換電路連續工作和電網正常運行表現為連續動態行為，可以用微分方程或差分方程來描述，而外界環境因素的變化、人為操作行為和變換電路中功率開關管的通斷表現為離散事件動態行為，連續變量動態行為和離散事件動態為交織作用使得光伏并網發電系統是一個具有明顯的非線性、不確定性、非純一性的典型混成動態系統。其混成特性主要表現在以下幾個方面：

1）光伏陣列的混成特性

光伏陣列作為直流電源輸入，由于光伏陣列本身的V-I特性和P-V特性具有強烈的非線性，光照強度和環境溫度等外界因素可以改變光伏陣列的輸出功率、輸出電壓等。光伏陣列的輸出功率和輸出電壓決定了系統的運行模態，各種模態在光伏陣列的輸出功率和輸出電壓構成的離散事件下變遷，而每一種模態又是連續運行的，因此，光伏陣列呈現出典型的混成動態特性。

2）光伏并網逆變器的混成特性

光伏并網逆變器的主電路是由電力電子開關器件構成，電力電子開關器件是由連續變量動態行為和離散事件行為組成的，開關管的斷開和閉合構成離散事件，離散事件決定并網逆變器的電路拓撲，在特定拓撲結構下的連續工作狀態就是連續動態系統。而在實際應用當中，并網逆變器的功能決定了其可以工作在有功發生器、無功補償器、有源濾波器和電能質量統一控制器的并網運行模式，各種模式之間的變遷是離散的，而在每一種模式下的運行狀態又是連續的，離散事件行為和連續動態變量行為的相互作用使得光伏并網逆變器是一個復雜的混成動態系統。

3）電網的混成特性

電網是由電源、輸電和配電構成的一個龐大系統，除了表現出強非線性、高維數和多時速特征外，正常運行模式下的連續動態行為和輸配電的邏輯約束、各種調度控制使得電網具有典型的混成動態特性。

3 單相雙極式光伏并網系統

3.1 單相光伏并網系統控制結構

單相光伏并網系統控制原理如圖2所示。系統采用兩級式結構，前級用 Boost電路完成光伏陣列的最大功率點跟蹤控制，后級是全橋逆變電路，主要完成從直流電到交流電的逆變和控制逆變器輸出的并網電流與電網電壓同頻同相。

圖2 單相光伏發電并網系統控制原理圖

3.2 最大功率點跟蹤混成控制策略

光伏陣列的輸出功率是外部環境因素的非線性函數，為了充分利用光伏陣列的效能，應該采用最大功率點跟蹤控制策略使光伏陣列盡可能的工作在最大功率點。由Boost電路工作原理可得

式中，D為開關T的占空比。在功率平衡的情況下，通過調節占空比 D 可調節光伏陣列輸出電壓 Upv，從而達到光伏陣列最大功率點跟蹤控制的目的。

本文采用變占空比的混成控制方法作為光伏陣列最大功率點跟蹤控制策略，在控制過程中，將ΔD分為兩個等級，即大步長ΔD1和小步長ΔD2，大步長調節適用于由外界環境突變使得光伏陣列工作在遠離最大功率點時，以快速響應外界環境的變化；小步長調節適用于光伏陣列工作在最大功率點附近，以減小功率振蕩。由光伏陣列的P-V特性曲線可知，在最大功率點的兩側的符號是不一樣的，定義函數；函數。根據S1、S2的符號就可以判斷光伏陣列工作點的大概位置，因此，可以決定下一時刻占空比的調節方式。定義如下邏輯條件來構成離散事件。

MPPT混成控制器結構如圖3所示，混成控制器首先檢測到光伏陣列輸出功率和輸出電壓，通過連續控制環節得到功率和電壓的變化情況，控制決策環節先判斷定義的事件是否發生，再根據事件類型決定如何調節占空比。變占空比的控制決策如圖4所示。

圖3 MPPT混成控制器結構

圖4 MPPT控制決策自動機模型

3.3 單相光伏并網逆變器混成控制策略

考慮到單相光伏并網逆變器的混成特性，本文將混成控制策略用于對并網逆變器的控制。所用控制策略的基本工作原理是：檢測濾波電感電流iL，給定指令電流iref，通過比較iref和iL，根據這兩電流的瞬時值之差 Δ i = iref- iL與所設定的誤差閾值 H比較來判斷下一時刻單相光伏并網逆變器的4個開關管的通斷情況。定義如下邏輯條件來構成電流事件。

并網逆變器混成控制器結構如圖5所示，混成控制器首先檢測到并網電流和電網電壓，通過連續控制環節得到指令電流和并網電流，控制決策環節判斷定義的事件是否發生，根據事件類型決定選用哪種開關管導通模式來產生PWM信號，PWM信號形成的控制決策如圖6所示。

圖5 并網逆變器混成控制器結構

圖6 并網逆變器控制決策自動機模

4 仿真分析

為驗證上述方法的正確性與有效性，將對單相光伏并網系統利用 Matlab軟件平臺搭建仿真模型進行仿真驗證[9-10]。離散控制決策根據圖 4 、圖 6 所示用Stateflow構建的混成自動機模型，連續系統由Simulink來實現。仿真采用的參數為：光伏電池在標況Tref=25℃ ，Sref= 1 000W/m2情形下運行，Isc=8.3A，Uoc=350V ，Im=7.4A， Um=280V ，電容 Cs=50μF，L1= 4mH ， Cdc=2000μF，濾波電感L=4mH，等效電阻r=0.01Ω，交流側電網電壓us的幅值是310V，頻率為50Hz，設定 H = 0.01。仿真結果如圖7所示，由仿真波形可知，系統能夠穩定工作在最大功率點，并網電流和電網電壓基本保持同頻同相，滿足并網要求。

圖7 仿真波形

5 結論

本文分析了光伏并網系統的混成特性，分別設計出了最大功率點跟蹤和并網逆變器混成控制決策，建立了基于混成自動機的光伏并網系統控制模型，并進行仿真驗證。從仿真結果可得，采用該方法的系統模型結構簡單，動態響應速度快，跟蹤精度高，因此，采用本文提出的方法解決光伏并網系統控制問題是正確可行的，也是有效的。

[1]張耀明.中國太陽能光伏發電產業的現狀與前景[J].能源研究與利用,2007(1).

[2]張超,何湘寧,趙德安.光伏發電系統變步長 MPPT控制策略研究[J].電力電子技術,2009,43(10):47-49.

[3]董學平,徐本連.基于混雜系統的智能 PID 控制設計[J].合肥工業大學學報,2004,27(8):960-963.

[4]胡偉,盧強.混成電力控制系統及其應用[J].電工技術學報, 2005,20(2),11-16.

[5]HV W, RUAN Q T. Hybrid Power Control System and Its Application[J]. 2006 International Conference on Power System

[6] GIANCARLO F T, EDUARDO G, MANFRED M.Modeling and dontrol of Co-Generation power plants：A hybrid system approach[J].IEEE transactions on control systems technology, 2004: 694-705.

[7]秦世引,宋永華.混雜控制系統的結構體系分析[J].電力系統自動化,2000(6):6-9.

[8]劉凱.混成電力系統及其靜態電壓穩定性研究[D].貴州大學, 2008.

[9]ZHOU K L, WANG D W.Digital repetitive controlled three-phase PWM rectifier[J]. IEEE transactions on power electronics, 2003,18(1): 309-316.

[10]趙曉華,陳陽舟.基于 Matlab狀態流的混雜系統仿真設計[J].計算機仿真,2005,22(7):206-210.