结合模糊自抗扰策略的光伏MPPT控制技术_马幼捷.pdf

结合模糊自抗扰策略的光伏 控制技术马幼捷，韩志国，周雪松，（天津理工大学电气工程与自动化学院，天津 ；天津理工大学天津市复杂系统控制理论与应用重点实验室，天津 ）摘要：光伏发电系统易受外部条件影响，输出波动大，抗扰能力差。为了提高系统利用率，提出一种结合模糊自抗扰策略的光伏 控制技术，通过扩张状态观测器，对内外扰动进行补偿，结合模糊控制改进线性误差反馈控制律，能够快速跟踪光伏电池最大功率点电压和功率，减小了超调量，提升了系统的抗扰性能，具有很好的控制效果。最后在 中搭建仿真模型，验证控制策略对提升光伏发电系统响应速度和抗扰性能的有效性和可行性。关键词：光伏电源；最大功率追踪；模糊控制；自抗扰控制中图分类号：，（，；，）：，：；基金项目：国家自然科学基金面上项目（编号 ）；天津自然科学基金（编号 ）收稿日期：作者简介：马幼捷（），研究生导师，研究方向为电力系统分析与控制，新能源发电领域；韩志国（），硕士研究生，研究方向为新能源发电技术。引言随着全球气候的变化，人们越来越关注清洁能源。其中，太阳能能够减少人们对传统化石能源的依赖度，但太阳能发电易受光照强度、温度等外界条件的影响，其输出功率波动较大。为提高太阳能发电的利用率，各种光伏最大功率跟踪（）控制技术相继出现，主要有扰动观察法（）、电 导 增 量 法（）、恒 定 电 压 跟 踪 法（）、模糊控制等。文献 通过模糊自适应算法，实现跟踪最大功率点，提高了跟踪速度和精度，减小了最大功率点震荡现象。文献 中的滑膜控制等智能控制系统控制复杂、成本高，实际应用困难。文献 中的恒定电压跟踪法控制效果较差，跟踪最大功率点精度较低，虽然电导增量法控制效果较好，但易受扰动影响，输出功率波动大。文献 通过计算非线性代数方程求解跟踪电压，实际工程应用较困难。文献 采用模糊控制改进 控制器，提高了系统的稳定性。文献 结合线性自抗扰控制提升跟踪速度，减少波动。本文提出一种结合模糊自抗扰的光伏最大功率点跟踪控制器，利用过往经验设计模糊控制调节自抗扰控制参数，改进了传统 控制的不足，提升了系统跟踪最大功率点的速度和抗扰性能。光伏特性太阳能发电系统主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器组成。光伏阵列组输出特性等效电路拓扑图如图电工技术电力自动化所示。其中，为光照电流；为漏电流；为二极管暗电流；为等效串联电阻；为等效并联电阻。图等效电路模型光伏阵列组输出特性等效电路输出表达式为：（）（）式中，为电子电荷量，；为二极管品质因数；为玻尔兹曼常数，；为参考热力学温度。不同温度条件下光伏电池输出特性曲线如图所示。图光伏电源特性曲线不同光照条件下光伏电池输出特性曲线如图所示。图光伏电源特性曲线 电路系统建模光伏阵列发出的电能受温度和光照等因素影响，具有较大的波动性且电压不稳定，通过 升压变换器，结合电容和储能电池，转变为稳定的直流电压源。光伏发电系统拓扑图如图所示。图 光伏系统电路结构图利用基尔霍夫电压电流定律，对光伏系统电路列写状态方程，可以得到以下方程。当系统处于导通状态时，其输出表达式为：（）当系统处于关断状态时，其输出表达式为：（）式中，为光伏电池输出电压；为光伏电池输出电流；为电感电流；为负载电压；为占空比；为电感值；为光伏侧稳压电容；为输出侧电容；为负载。使用状态空间平均法求得系统的状态空间方程：（）式中，（）（）（）对式（）进行拉普拉斯变换，得到光伏侧电容电压对占空比的传递函数（）：（）（）（）（）（）（）（）（）光伏电池输出电压对占空比的传递函数（）为：（）（）（）（）（）（）电力自动化电工技术 及控制策略最大功率点跟踪控制依据光伏电池输出功率对电压或电流的微分，求解最大功率点电压和电流，结合模糊自抗扰控制改进系统的控制性能。控制系统结构如图所示。图 电路结构图 扩张状态观测器由系统状态空间方程可知，状态变量、之间存在耦合关系，在自抗扰控制中，将这种关系视为内绕，通过扩张状态观测器进行补偿。由式（）可得：（）式中，为系统的外部扰动。选取状态 变 量，由式（）可得：（）式中，；为总扰动；为总扰动的微分。对应的连续 为：（）（）参考文献，将观测器极点配置在处，即：（）（）（）（）求得观测器增益矩阵取值：（）模糊误差反馈控制律（）线性误差反馈控制率可采用比例控制，输入信号 为 给定最大功率点电压，为比例系数，设观测器极点在处，则：（）（）解得。则系统的闭环传递函数为：（）（）模糊控制模糊自适应控制在非线性时变强耦合系统中可以根据系统扰动的强度调整系统控制参数，从而有效提高系统的稳定性和抗扰性能。模糊自适应控制主要由模糊化、模糊规则库、模糊推理方法及去模糊化几部分组成。模糊控制系统结构图如图所示。图模糊控制结构图引入模糊自适应控制调节自抗扰控制参数，模糊控制器的输入为电压偏差和偏差变化率，输出为比例参数。根据系统辨识模型，调节输入输出论域和模糊规则，使用经典控制理论中参数计算方法，根据技术经验，选取较好的一组参数，逐次累加输出，使得比例参数可以随扰动变化而变化。参考文献 ，设置光伏发电功率偏差论域为，光伏发电功率偏差变化率论域为 ，输出比例控制系数基本论域为，设置电压偏差和电压偏差变化率模糊集，见表。表模糊控制规则表 利用模糊自抗扰控制算法，解决控制参数的调节，通过自抗扰控制器补偿扰动，提高系统解耦能力，改善系统性能。改 进 后 的 模 糊 控 制 器 结 构 图 如 图所示。图 模糊 控制结构图 仿真验证为了验证模糊 控制对光伏发电系统控制的正确性和可行性，在 中搭建光伏阵列发电系 统 仿 真 模 型。该 模 型 主 要 由 光 伏 电 池 模 块、模块、模糊自抗扰空模块和 电路模块组成，设定的光伏阵列仿真参数见表。电工技术电力自动化表系统模型参数模型参数数值光伏阵列开路电压 光伏阵列短路电流 光伏阵列最大功率点电压 光伏阵列最大功率点电流 最大功率点功率 光伏稳压电容 直流母线侧电压 负载等效电阻 开关频率 设置 改进光伏 参数，。设置模糊自抗扰控制参数，观测器带宽 ，控制器带宽 ，补偿因子 。在标况电池温度 条件下进行扰动仿真，光照变化如图所示，光伏发电系统输出功率如图所示。图光照变化图图输出功率变化图由图、图仿真结果可知，改进 控制可以更准确跟踪最大功率点，且提高系统跟踪最大功率点的速度，但当系统光照发生变化时，输出功率易出现较大波动。相较之下，改进后的模糊自抗扰控制可以迅速跟踪光伏最大输出功率，且克服光照变化时的波动问题，具有良好的动态和稳态性能。结语针对传统的光伏 控制不足，本文设计了结合模糊自抗扰 的 光 伏 最 大 功 率 点 跟 踪 控 制 器，对 比 传 统 的 控制和 改进的 控制，结合模糊自抗扰的光伏最大功率点跟踪控制器能够提升系统的响应速度，减小系统的输出功率波动，更准确跟踪最大功率点，提高系统的利用率，有效改善系统的暂态过程，表现出良好的控制性能。参考文献 赵贵龙，曹玲玲，祝龙记基于光伏并网逆变系统的改进锁相环设计电力系统保护与控制，（）：张曦，康重庆，张宁，等 太阳能光伏发电的中长期随机特性分析 电力系统自动化，（）：刘 永 军，万 频，王 东 海，等 自 适 应 模 糊 算 法 在 光 伏 系 统 中的应用太阳能学报，（）：，（）：李彬彬微逆变器光伏并网发电系统的研究与设计哈尔滨：哈尔滨工业大学，（）：牛秋 实，施建 强，惠 子 轩基 于 改 进 型 双 模 糊 控 制 的 光 伏 的研究电源技术，（）：高 志 强，李 松，周 雪 松，等线 性 自 抗 扰 在 光 伏 发 电 系 统 中的应用电力系统保护与控制，（）：，：王述彦，师宇，冯忠绪 基于模糊 控制器的控制方法研究 机械科学与技术，（）：（上接第 页）参考文献 夏嘉航，王晨欣，展瑞琦，等 考虑谐振特性和无功特性的改进型并联电 容 换相 换 流 器 电 力系统 自 动 化，（）：展瑞琦，叶蕴霞，夏嘉航，等混合串联换流阀抑制换相失败的作用原理及动态均压电路参数设计 中国电机工程学报，（）：张朝峰，张伟晨，饶宇飞，等 一种抑制多馈入特高压直流换相失败的投旁通控制策略 电力建设，（）：王渝红，陈立维，曾琦，等 特高压直流分层接入方式下预防换相失败的协调控制策略电力系统保护与控制，（）：陈睿康，李凤婷，尹纯亚，等 基于改进 的直流系统后续换相失败抑制策略电力工程技术，（）：朱仁龙，周小平，罗安，等基于电压时间换相面积预测的换相失败抑制方法 电力系统自动化，（）：徐志，奚鑫泽，卢佳改善直流换相失败的储能 技术仿真研究电工技术，（）：，电力自动化电工技术