超級電容器儲能的光伏系統自適應控制研究

張繼紅 ，郝昊達 ，田 玉，高 春，吳振奎

(1.內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古 包頭 014010；2.內蒙古第一機械集團有限公司，內蒙古 包頭 014030)

超級電容器儲能的光伏系統自適應控制研究

張繼紅1，郝昊達1，田 玉1，高 春2，吳振奎1

(1.內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古 包頭 014010；2.內蒙古第一機械集團有限公司，內蒙古 包頭 014030)

針對現有光伏系統穩定性與自調整能力不足的實際情況，提出了一種基于超級電容器儲能、自適應控制并網策略的光伏系統。通過分析超級電容器儲能原理并對電路進行優化設計，提出了一種新型雙Boost模式電路，增大了電路的跨負載電壓偏移量，取得了更理想的儲能效果。優化了自校正PI控制器，闡述了自校正PI控制的設計和基本原理。新控制器參數控制簡便，并且在保持PI控制的基礎上，增強了系統對環境的適應能力。通過Matlab波形分析表明，該方案很好地提高了光伏系統的穩定性和魯棒性。提出的自適應PI控制優化方法可以在彌補傳統控制方式不足的基礎上，通過進一步研究來提高光伏系統的整體性能，也可為系統中其他環節的優化控制提供研究方向。

光伏發電； 儲能； 超級電容器； 逆變器； 控制器； 自適應控制； Boost電路； Matlab/Simulink

0 引言

光伏并網的穩定運行及電能的高質量輸出是光伏系統的重要環節，因而優化并網逆變器控制策略、改善電能質量方法成為關注的焦點[1-3]。衡量系統好壞的標準取決于系統的穩態與動態特性，對控制策略進行優化能夠改善和提升系統性能。超級電容器作為一種新型儲能元件，其充放電次數和循環次數均有良好表現，在分布式發電中得到廣泛應用。

系統采用優化后的控制策略，能保證系統具有良好的動態特性。目前廣泛采用比例積分(proportional integral,PI)控制算法，其理論成熟、控制器結構簡單并且易于設計。本文提出優化的自校正PI控制方式，既滿足了以上PI控制器的優點，又提高了系統應對環境變化及干擾的魯棒性能。

1 超級電容器儲能系統

超級電容器是一種新型儲能元件，它的充放電次數與循環次數優于目前廣泛應用的電化學電池，而且具有功率密度高、工作溫度范圍寬、無環境污染、可靠性高的優點。超級電容器儲能系統將在大功率下[4]，滿足系統運行穩定性的要求。超級電容器是由電阻、電容進行復雜串并聯構成的器件，其物理模型如圖1所示[5]。

圖1 超級電容器物理模型

1.1 DC- DC轉換電路

本文設計了超級電容器儲能系統雙向DC-DC變換器的變換電路。該雙向DC-DC變換器的變換電路為雙Boost模式升壓電路。該變換電路使超級電容器具備再生反饋的能力，能滿足分布式發電負載要求，因此該超級電容器具有兩項功能:充電儲能和放電釋能。當分布式直流電網能量充足，存在剩余能量時，該系統通過雙向DC-DC變換器將其存儲在超級電容器中；當分布式直流電網能量無法滿足用電需要時，超級電容器便會釋放電能，使系統穩定運行。

這種多級非隔離型光伏并網逆變器省去了工頻變壓器，因而在成本、體積方面更加具備優勢。Boost電路可以使光伏列陣工作在一個寬泛的電壓范圍內。雙Boost模式電路結構如圖2所示。

圖2 雙Boost模式電路結構圖

每一個電路提供直流偏置的正弦波輸出U1和U2，每個電源產生單級電壓，U1和U2所代表的相電壓的變化等于180°，這使跨負載的電壓偏移量最大化。

為了描述控制目的，通常使用平均電流和電壓值的平均模型。該模型更適合于控制，因為其由平均、平滑、非線性的連續時間的等式來描述。

1.2 電路模式控制

當Q1關斷、Q2開通時，定義q=0；當Q2關斷、Q1開通時，定義q=1。升壓電路動態方程可表示為:

(1)

(2)

令u=1-q，則以上兩式可以表達為:

(3)

(4)

2 自校正PI控制方案

目前采取的控制方案，如PI控制、模糊控制、神經網絡和重復控制等，雖然控制效果較為理想，但是也存在一些問題:系統靜差跟隨性能差、系統超調量大、需要檢測多個變量[6]。

基于目前控制方案，由于逆變控制系統的不確定性、輸入電壓的不穩定性、負載的非線性特征，本文提出一種自校正PI控制系統。其結構如圖3所示[7]。

圖3 自校正PI控制系統結構圖

PI調節器輸出端與輸入的電壓信號經過模型參數辨識后，進行在線參數設計。外環結構實現了PI調節器的自校正過程，作用于被控對象，達到對控制系統自校正PI控制的目的。該系統結構采用自適應控制來解決系統參數和環境變化的問題，并且能夠有效提高系統魯棒性能。

自適應PI控制兼具自適應控制和常規PI控制的優點，不僅需要調整的參數少，而且能夠根據對象特性的變化在線修改這些參數，從而增強控制器的自適應能力[8]。

PI控制器的連續形式表示為:

(5)

式中：kp、ki為常規PI控制器的比例積分系數；u(t)為控制輸出。

設y(t)為系統輸出，yr(t)為參考輸入，e(t)為偏差信號，定義e(t)：

e(t)=yr(t)-y(t)

(6)

傳遞函數形式:

(7)

離散形式:

(8)

式中：Ts為采樣周期。

離散增量形式為:

Δu(k)=u(k)-u(k-1)

根據離散形式，上式可表示為：

Δu(k)=kp[e(k)+e(k-1)]+kpkiTse(k)

(9)

由上式可得：

Δu(k)=r0e(k)+r1e(k-1);r0=kp+kpkiTs;r1=-kp。

新控制器的參數r0、r1替代了原有PI控制器中的比例系數kp、積分系數ki，其中r0與比例積分系數相關，r1則是對比例系數的替換。因此，在新設計的控制器中，通過對r0、r1的調整便可以達到調整控制器參數的目的[8-9]。

3 仿真結果與分析

太陽能光伏并網發電系統仿真模型的計算輸入如下:光伏陣列裝機容量為10 kW，環境溫度為26 ℃，太陽輻射強度為1 000 W/m2，電網為三相380 V，頻率為50 Hz。逆變器電感L1=1.5 mH，電感L2=0.8 mH，濾波電容C=200 μF。電壓環的自校正PI初始設定參數kp=3.6，ki=198；電流控制環的自校正PI參數可根據系統最大功率點的輸出進行自調整運行，從而減少系統逆變器輸出電流的諧波數量，保證了電網的可靠性和安全性[10]。

當光照強度由1 000 W/m2突然降為750 W/m2，且L2側負載突然增加時，輸出電壓仿真結果如圖4所示。

由圖4可知，自校正PI的電壓跌落幅值要小于常規PI控制，因此自校正PI控制方法魯棒性更強。

圖4 輸出電壓仿真結果圖

在逆變器穩定運行狀態下，對電路進行仿真，輸出電流仿真結果如圖5所示。

圖5 輸出電流仿真結果圖

由圖5可以看出，自校正PI控制器可以通過自行調整控制器參數達到最佳控制效果，輸出的波形比常規PI要平滑，畸變率更小。

4 結束語

本文提出了一種基于新型的雙Boost模式DC-DC變換電路的儲能系統。通過對參數的調整，能更加有效地提高電路工作效率，進而取得更好的儲能效果，電能質量更好。另外，從逆變器的控制角度，提出了一種基于自校正PI的控制策略，它克服了傳統PI的不足，在系統魯棒性能和適應環境能力上均有提升，也降低了仿真的輸出波形畸變。

通過仿真分析表明，改進后的策略更能適應環境變化帶來的影響，系統更加穩定。

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Research on Adaptive Control of PV System for Super Capacitor Energy Storage

ZHANG Jihong1，HAO Haoda1，TIAN Yu1，GAO Chun2，WU Zhenkui1
(1.Information Engineering College，Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China;
2.Inner Mongolia First Machinery Group Co.,Ltd.，Baotou 014030,China)

Aiming at the actual situation of existing PV systems lacking stability and self-adjustment ability,a photovoltaic system based on super capacitor energy storage and adaptive control grid connected strategy is proposed.By analyzing the principle of super capacitor energy storage and optimizing the design of the circuitry,a new type of double Boost mode circuit is proposed,which increases the cross load voltage offset of the circuit and achieves better energy storage effect.The self-correction PI controller is optimized,and the design and basic principle of the self-correction PI control are described.The control of the parameters of this new controller is simple,and the system adaptability to the environment is enhanced on the basis of maintaining the advantages of PI control.Through the Matlab waveform analysis,it is found that the scheme can well improve the stability and robustness of the PV system.The proposed adaptive PI control optimization method can improve the overall performance of the PV system by continuing research on the basis of making up insufficiency of traditional control mode,and also provide the research direction for the optimization control of the other aspects in the system.

PV power generation; Energy storage; Super capacitor; Inverter; Controller; Adaptive control; Boost circuit；Matlab/Simulink

內蒙古自治區自然科學基金資助項目 (2016MS0515)

張繼紅(1975—)，男，在讀博士研究生，副教授，主要從事光伏發電技術的研究。E-mail:zjh00318@163.com。

TH861;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201707004

修改稿收到日期:2017-03-17