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 133002)

0 引言

随着光伏(photovoltaic,PV)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:2021年,Cabrane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PI控制器来稳定直流母线电压和控制Buck-Boost变换器.仿真结果证明,该系统能有效保持直流母线电压的稳定.2023年,J.Heidary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PI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DC/DC 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、DC/DC 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DC/DC 升压变换器与直流母线相连接,其中DC/DC 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(maximum power point tracking,MPPT)[7].

图1 独立光伏储能系统的结构示意图

1.2 双向DC/DC变换器的工作原理

双向DC/DC变换器是在单向Buck或Boost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].

图2 双向Buck-Boost电路的拓扑结构

当双向DC/DC 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Buck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DC/DC 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Boost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.

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DC/DC 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DC/DC变换器的工作模式由电流环的电流给定值(Iref)确定[10].当Iref<0时,双向DC/DC变换器在Buck模式下工作.此时直流母线电压的实际值大于给定值,能量从直流母线端流向储能介质端.当Iref>0时,双向DC/DC 变换器在Boost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[11].

图3 双向DC/DC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[12].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[13].因此,本文在模糊自抗扰控制器中设置了2个控制量参数(β1和β2),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(fuzzy-LADRC)的参数β1和β2可重新定义为:

3 光伏储能系统的特性分析

为验证fuzzy-LADRC 控制器对光伏储能系统的有效性,本文应用Matlab/Simulink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PI控制方式、LADRC 控制方 式 和fuzzy-LADRC 控 制 方式.仿真参数见表1.

表1 仿真参数

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1000W/m2,电池温度为25℃.

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fuzzy-LADRC控制器与传统PI控制器、LADRC 控制器相比,几乎没有超调现象,并且调节时间极快(0.005s).这表明,fuzzy-LADRC控制器具有良好的跟踪性能.

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0.4s处加入光照突变,光照强度从600W/m2突变至1000 W/m2).由图6 可以看出:fuzzy-LADRC控制器的电压增量和调节时间显著低于传统PI控制器和LADRC控制器.当光照强度从1000W/m2恢复到600W/m2时,fuzzy-LADRC控制器在电压过冲和暂态恢复时间上仍优于传统PI控制器和LADRC 控制器.这表明,在光照强度发生突变时,fuzzy-LADRC控制器能够有效抑制其给系统带来的波动.

图6 光照突变时3种控制器的鲁棒性

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fuzzy-LADRC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PI控制器和LADRC控制器.这表明,在不同电池温度下,fuzzy-LADRC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0.6s时将电阻由50Ω 跳变至70Ω).由图8可以看出:在负载发生跳变的情况下,fuzzy-LADRC控制器的电压波形范围和调节时间明显优于PI控制器和LADRC控制器.这表明,在不同负载变化下,fuzzy-LADRC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fuzzy-LADRC 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.