基于模糊控制的光伏并網系統功率平滑控制

彭皆彩

【摘 要】為減小光伏發電輸出功率間歇性、波動性對光伏并網系統的影響，本文提出一種基于光伏輸出功率及儲能系統荷電狀態的模糊控制策略，通過平滑控制雙向DC/DC變換器以控制儲能系統輸出或吸收電能，實現平滑穩定光伏功率輸出及延長儲能系統壽命的目的。本文首先分析仿真了在光伏輸出功率不穩定的情況下并網電流、電壓及波動功率對電網的影響；其次在上述基礎上提出了蓄電池兩級雙向充放電模糊控制方案。通過SIMULINK仿真對比了在不進行平滑控制和用模糊控制進行“削峰填谷”的有效性及準確性。

【關鍵詞】光伏發電；儲能系統；荷電狀態；模糊控制

【Abstract】In order to reduce the effect of the intermittent and fluctuation of the output of photovoltaic power generation on the grid-connected PV system.In this paper，a fuzzy control strategy based on the PV output power and energy storage system is proposed.By controlling the bidirectional DC/DC converter to control the output of the energy storage or absorption，to achieve smooth and stable photovoltaic power output and to extend the life of the energy storage system.Firstly，the effects of grid connected current，voltage and power fluctuation on power grid are analyzed and simulated. Secondly，the fuzzy control strategy of the two stage charging and discharging of the battery is put forward. The validity and accuracy of the“cut peak and fill valley” in the non smooth control and fuzzy control are compared by SIMULINK simulation.

【Key words】Photovoltaic power generation；Energy storage system；State of charge；Fuzzy control

0 引言

光伏電源輸出受外界環境影響較大，穩定性不高。[1]在并網運行時，出力電源輸出發生變化，易導致母線輸出功率及電壓不穩，進而導致逆變輸出波動，對大電網造成影響[2]，因此蓄電池儲能系統對母線功率的調節是必不可少的[3]，且是否合理地進行充、放電直接影響著蓄電池的壽命[4]。本文所研究的控制策略是一種基于光伏輸出功率變化及電池SOC為約束條件的分層控制策略，實現了儲能系統充放電自動平滑切換控制，維持了逆變輸出功率平衡，同時兼顧了儲能系統荷電狀態，延長儲能系統使用壽命。

1 系統結構

本文研究的帶有儲能系統的光伏并網發電系統主要由光伏陣列、電池管理系統BMS、雙向DC/DC變換器組、DC/AC逆變器、LC濾波以及升壓變壓器組成[5]。

2 變換器基本控制策略

2.1 雙向DC/DC變換器控制策略

儲能單元和直流母線間通過雙向DC/DC變換器連接，儲能單元的端電壓低于直流母線電壓，通過變換器能夠實現儲能電源和直流母線間雙向電能流動。

2.1.1 儲能單元充放電

本設計儲能單元放電的目的是補充光伏模塊輸出功率缺額，即功率差值△P，所以采用恒功率充放電。其中：

式中Ppv為光伏陣列輸出功率，Pgrid為逆變器并網額定功率。

恒功率充放電通過功率外環電流內環實現。采集儲能單元端電壓Vbat與放電電流Ibat，兩者的乘積即為功率單元瞬時輸出功率Pbat，將其與功率差值ΔP比較，經PI調節器后與功率單元輸出電流Ibat相比較，誤差經過PI后與三角波比較得到雙向DC/DC變換器的PWM控制信號。

3 儲能系統平滑控制策略

當直流母線上出力電源輸出發生變化時，易導致母線輸出功率及電壓不穩，進而導致逆變輸出波動，對大電網造成影響。因此，需要設計適合的儲能系統電能管理策略，通過在直流母線側并聯蓄電池儲能系統，控制電池組充放電以保證直流母線上瞬時功率平衡。

本文提出一種基于母線功率的分層協調控制策略，其基本原理就是通過采集各出力電源輸出功率與并網額定功率比較，從而對充放電動作進行約束；同時，采用模糊控制理論兼顧儲能單元SOC狀態及瞬時最大輸入輸出功率，為系統選擇合適的充放電功率，從而保持直流母線上功率供需平衡。即需滿足如下方程：

式中Pbat為儲能單元輸入輸出功率。

3.1 充放電功率約束

一般通過修正濾波時間常數，以保證SOC運行的合理范圍，實質上是調整了目標功率值，間接調整充放電功率。本設計提出了基于模糊控制理論的充放電系數整定策略，直接對儲能單元充放電功率進行實時控制，對于儲能系統SOC的控制準確度更高。

3.1.1 充放電功率整定

充放電系數Ki（i=1，2，…）是指儲能系統SOC在變化時，將其分成若干區間范圍，在不同的限定區間內約束、調整充放電功率系數。通過充放電系數調整后的實際充放電功率可由公式（3）、（4）計算：

由此可見實際充放電功率△Prel的計算主要在于Ki的調整策略。

3.1.2 基于模糊控制理論的充放電系數整定

以儲能系統SOC為標準，當SOC偏高時，若△P<0時，則適當減小Ki，從而減少儲能系統吸收的功率，避免SOC增長過高；若△P>0時，則增大Ki，從而增大儲能系統放出的功率，加快SOC下降。反之亦然，當SOC偏低時，若△P>0時，則減小Ki；若△P<0時，則適當增大Ki。

所以，本文采用二維模糊控制理論構建計算Ki。輸入量為儲能系統的SOC和功率差值△P，輸出量為Ki。儲能系統SOC和Ki的模糊集采用{NB，NS，ZO，PS，PB}，功率變化值△P的模糊集采用{NB，NS，NZ，PZ，PS，PB}。

4 仿真分析

本文以額定輸出為10kW的光伏并網系統為例，進行了仿真計算。光伏電池在標準條件下輸出功率為10kW，電池額定容量1.8kAh。以下是采用模糊控制補償和不補償時的仿真結果及分析。

圖1為功率波動時，采用模糊控制補償后的輸出功率波形。

由圖中補償后功率波形知，補償后可將功率波動限定在可靠的波動范圍。

5 結束語

儲能系統用以平抑光伏輸出波動，避免對電網造成干擾有非常重要的作用。本文采用模糊控制，結合儲能系統荷電狀態和光伏輸出功率差值，輸出整定后的充放電系數?？刂撇呗宰畲蟮钠揭止β什▌?，同時，有效的保證儲能系統荷電狀態在合理范圍內，避免過度充放電。通過Matlab/Simulink仿真驗證了本策略的有效性。

【參考文獻】

[1]李春華，朱新堅.基于混合儲能的光伏微網動態建模與仿真[J].電網技術，2013，37（1）：39-46.

[2]劉志文，夏文波，劉明波.基于復合儲能的微電網運行模式平滑切換控制[J].電網技術，2013，37（4）：906-913.

[3]黃曉東，郝木凱，陸志剛，等.微網系統中電池儲能系統應用技術研究[J].可再生能源，2012，30（1）：38-41.

[4]吳紅斌，顧緗，趙波，等.蓄電池充放電管理的全過程仿真研究[J].電子測量與儀器學報，2014，28（8）：843-848.

[5]蔣瑋，陳 武，胡仁杰.基于超級電容器儲能的微網統一電能質量調節器[J].電力自動化設備，2014，34（1）：85-90.

[6]張馳，張代潤.基于改進的變步長光伏并網系統MPPT控制策略研究[J].電測與儀表，2012，34（1）：67-71.

[責任編輯：湯靜]