本發(fā)明涉及太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于模糊PI控制的大功率光伏陣列模擬器控制方法。

背景技術(shù)：

光伏陣列模擬器作為研究光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在光伏陣列發(fā)電系統(tǒng)研發(fā)測(cè)試當(dāng)中，相比于利用光伏陣列組件進(jìn)行測(cè)試，光伏陣列模擬器不僅可以節(jié)約研發(fā)場(chǎng)地面積、降低研發(fā)成本、縮短開發(fā)周期；而且其還可以不依賴自然環(huán)境模擬各種工況下的光伏輸出特性，為研究提供了極大的方便。

目前，針對(duì)光伏陣列模擬器的研究多集中于模擬器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如專利《一種太陽(yáng)能電池模擬器》以及《一種可模擬任意工況下的光伏陣列組件輸出特性模擬器》等，均未提及模擬器高性能的控制方法；再者，市場(chǎng)上光伏陣列模擬器多采用BUCK直流變換器外加傳統(tǒng)的PI控制結(jié)構(gòu)，這樣的控制方式存在諸多的不足之處，首先，BUCK變換器的輸出電壓的大小受限于器件以及輸入電壓的高低，在現(xiàn)有的器件條件下，無(wú)法做到大功率的光伏陣列模擬器；此外，BUCK變換器受限于電路結(jié)構(gòu)本身，只能充電不能放電，從而其動(dòng)態(tài)性能受到極大地限制；再者，傳統(tǒng)的PI控制器雖然簡(jiǎn)單，但也存在著動(dòng)態(tài)性能差、抑制干擾能力弱等缺點(diǎn)。

除此之外，大多數(shù)模擬器的設(shè)計(jì)并未考慮空載時(shí)開路電壓的控制，如果缺乏對(duì)開路電壓的控制，可能會(huì)造成輸出電壓不穩(wěn)定，例如在模擬器空載時(shí)，如果反饋電流信號(hào)引入了一些干擾信號(hào)，則會(huì)造成輸出電壓起伏抖動(dòng)，甚至造成模擬器不受控的升壓，從而對(duì)設(shè)備的安全性提出了挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)光伏陣列模擬器的控制方法不足之處，提出一種基于模糊PI控制的大功率光伏陣列模擬器控制策略，結(jié)合模糊控制和PI控制的各自優(yōu)勢(shì)，主要針對(duì)基于但不限于三相PWM整流的大功率光伏陣列模擬器的控制，同時(shí)考慮到實(shí)際產(chǎn)品的安全性、穩(wěn)定性問(wèn)題，特別針對(duì)模擬器開路電壓設(shè)計(jì)了單獨(dú)的控制回路。

為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

一種基于模糊PI控制的大功率光伏陣列模擬器控制方法，在控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)模擬器進(jìn)行控制，所述控制結(jié)構(gòu)包括光伏陣列輸出V-I特性曲線模塊、模糊控制器、PI控制器、Park變換模塊、Clark變換模塊和SVPWM控制器；

控制過(guò)程包括步驟：

采集模擬器直流輸出電壓V_dc和直流輸出電流I_dc，并將直流輸出電壓V_dc作為光伏V-I特性曲線模塊的輸入量，所述光伏V-I特性曲線模塊的輸出為直流參考電流I_{dc_ref}，當(dāng)模擬器開路時(shí)，所述光伏V-I特性曲線模塊的輸出為開路電壓V_oc；

采集模擬器電壓輸出信號(hào)V_dc作為光伏陣列輸出V-I特性曲線模塊的輸入信號(hào)，光伏陣列輸出V-I特性曲線模塊的輸出信號(hào)I_{dc_ref}作為模擬器電流輸出信號(hào)I_dc的參考信號(hào)；

獲取直流電流誤差信號(hào)Δi_dc作為模糊控制器的輸入，所述電流誤差信號(hào)Δi_dc為模擬器輸出電流信號(hào)I_dc與其參考信號(hào)I_{dc_ref}的差值；

如果光伏陣列輸出V-I特性曲線模塊輸出信號(hào)I_{dc_ref}為0，表示此時(shí)模擬器開路運(yùn)行，則取光伏陣列組件開路電壓V_oc作為模擬器輸出電壓V_dc的參考電壓，并將兩者的誤差作為PI控制器的輸入；所述光伏陣列組件開路電壓V_oc為光伏陣列輸出V-I特性曲線模塊設(shè)置的最大輸出電壓；

通過(guò)判斷模擬器是否空載選取模糊控制器或者P控制器的輸出作為i_d的參考信號(hào)i_{d_ref}，所述i_d為三相輸入電流i_abc經(jīng)過(guò)Park變換模塊的dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換后的d軸電流；

獲取d軸與q軸的誤差信號(hào)分別作為各自PI控制器的輸入，所述d軸誤差信號(hào)是i_d與參考信號(hào)i_{d_ref}的差值，q軸誤差信號(hào)是0與三相輸入電流i_abc經(jīng)Park變換模塊的dq同步坐標(biāo)坐標(biāo)變換后q軸電流i_q的差值；

d軸和q軸誤差信號(hào)通過(guò)PI控制器輸出的參考信號(hào)分別引入電壓前饋補(bǔ)償e_d、e_q以及電流狀態(tài)反饋補(bǔ)償i_q*ωL、i_d*ωL得到參考信號(hào)u_d、u_q，將參考信號(hào)u_d和u_q作為Clark變換模塊的輸入，所述的e_d、e_q為三相輸入電壓u_abc經(jīng)Park變換模塊的dq同步坐標(biāo)坐標(biāo)變換后的輸出值，ω是三相輸入電壓的角頻率，L是輸入電感大小值，Clark變換模塊為由dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到αβ垂直靜止坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)；

Clark變換模塊的輸出經(jīng)過(guò)SVPWM控制器最終得到三相PWM整流電路開關(guān)管的控制信號(hào)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：

1、采用模糊PI控制，既比單獨(dú)的模糊控制擁有更小的穩(wěn)態(tài)誤差，又比單獨(dú)的PI控制擁有更好的動(dòng)態(tài)性能，更快的收斂速度，以及更小的超調(diào)量。

2、本發(fā)明采用級(jí)聯(lián)式的模糊PI控制，模糊控制器和PI控制器可串聯(lián)也可并聯(lián)，相對(duì)于參數(shù)自整定模糊PI控制器，減少了PI參數(shù)調(diào)整的過(guò)程，簡(jiǎn)化了運(yùn)算過(guò)程，節(jié)約了系統(tǒng)資源，但同樣達(dá)到了相似的控制目的。

3、針對(duì)光伏陣列模擬器開路電壓進(jìn)行控制，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行，提升了系統(tǒng)抗干擾以及抗失穩(wěn)的能力，強(qiáng)化了系統(tǒng)的安全性能。

4、采用三相PWM整流電路，能夠使光伏陣列模擬器運(yùn)行在100kVA功率級(jí)以上。

5、在開路電壓?jiǎn)为?dú)控制是，P控制器可以和后面的PI控制器組合成新的PI控制器，保證開路時(shí)電壓的無(wú)差控制，且P控制器相比其他控制器更簡(jiǎn)單，從而也就大大減少了系統(tǒng)運(yùn)算量。

附圖說(shuō)明

圖1是模糊PI控制的整體框圖；

圖2是模糊控制器的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3是模糊隸屬度函數(shù)圖；

圖4是采用開路控制與不采用開路控制的比較圖；

圖5是負(fù)載突變電壓電流波形圖；

圖6是溫度突變電壓電流波形圖；

圖7是光照強(qiáng)度突變電壓電流波形圖；

圖8是二極管鉗位三相PWM整流電路。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)光伏陣列模擬器的控制方法不足之處，提出一種基于模糊控制和PI控制相結(jié)合的大功率光伏陣列模擬器控制策略，結(jié)合模糊控制和PI控制的各自優(yōu)勢(shì)，主要針對(duì)基于但不限于三相PWM整流的大功率光伏陣列模擬器的控制，同時(shí)考慮到實(shí)際產(chǎn)品的安全性、穩(wěn)定性問(wèn)題，特別針對(duì)模擬器開路電壓設(shè)計(jì)了單獨(dú)的控制回路。本發(fā)明控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制效果良好，即能夠提高單獨(dú)PI控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，又能夠彌補(bǔ)單獨(dú)模糊控制所帶來(lái)的穩(wěn)態(tài)精度低的缺陷，同時(shí)針對(duì)開路電壓的控制也為整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，但下文所揭示的內(nèi)容為本發(fā)明的原理，并不局限于僅此一例。

圖1給出了具體的模糊PI控制的結(jié)構(gòu)框圖。主要由光伏陣列輸出V-I特性曲線模塊(PV Model)、模糊控制器、PI控制器、Park變換模塊(abc→dq)、Clark變換模塊(dq→αβ)、以及SVPWM控制器組成，參照?qǐng)D1基于模糊PI控制的大功率光伏陣列模擬器具體控制步驟如下：

S10、通過(guò)采集光伏陣列模擬器(簡(jiǎn)稱模擬器)的輸出電壓V_dc和輸出電流I_dc，將V_dc與光伏陣列V-I特性曲線模型中的電壓比較得到參考電流I_{dc_ref}，然后與實(shí)際值I_dc作比較，得出誤差信號(hào)送入模糊控制器Fuzzy，模糊控制器的輸出為d軸參考電流i_{d_ref}；如果I_{dc_ref}的值為0，則表明此時(shí)模擬器開路，則i_{d_ref}的信號(hào)不經(jīng)過(guò)模糊控制器產(chǎn)生，而直接通過(guò)對(duì)開路電壓的控制產(chǎn)生，如圖1上半部分，開路電壓V_oc與實(shí)際值V_dc做差產(chǎn)生的誤差信號(hào)經(jīng)PI控制器產(chǎn)生參考信號(hào)i_{d_ref}。這樣做的目的是1).單獨(dú)控制開路電壓，使得系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行；2).PI控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)于模糊控制器以及其他種類的控制器計(jì)算量更小，而且可以與后面的PI控制器組合成新的PI控制器，保障輸出電壓的無(wú)差控制，特別適合這種控制目的明確單一的情況。

模糊PI控制由模糊控制器和PI控制器串聯(lián)或并聯(lián)組成，串聯(lián)情況下前級(jí)為模糊控制，后級(jí)為PI控制；所述開路電壓?jiǎn)为?dú)控制回路，其運(yùn)行于模擬器開路狀態(tài)，在此狀態(tài)下，光伏V-I曲線模塊輸出為開路額定電壓V_oc，后接P控制器輸出d軸參考電流i_{d_ref}。

S20、i_{d_ref}與d軸電流i_d做差得到誤差信號(hào)并送入PI控制器，PI控制器加上前饋電壓補(bǔ)償e_d以及電流狀態(tài)反饋補(bǔ)償i_q*ωL得到d軸電壓參考u_d；q軸的控制與d軸類似，不過(guò)電流狀態(tài)反饋補(bǔ)償i_d*ωL與d軸的補(bǔ)償符號(hào)相反。

S30、經(jīng)過(guò)PI控制器以及補(bǔ)償后的輸出參考信號(hào)u_d、u_q再經(jīng)過(guò)Clark變換，最后將變換后的輸出作為SVPWM控制器的輸入信號(hào)，SVPWM產(chǎn)生三相PWM整流電路各個(gè)開關(guān)管的控制信號(hào)，控制輸出電壓與電流從而達(dá)到控制的目的。

所述光伏陣列輸出V-I特性曲線模塊中的V-I特性曲線采用工程用數(shù)學(xué)模型生成，其生成公式如下：

輸出的電流I與輸出電壓V的關(guān)系：

上式參數(shù)包括光伏陣列電池的短路電流I_sc、開路電壓V_oc、最大功率點(diǎn)電流I_m以及最大功率點(diǎn)電壓V_m，其中C₁和C₂分別為：

由(2)、(3)式可見(jiàn)：當(dāng)光伏陣列電池參數(shù)I_sc、I_m、V_oc、V_m確定時(shí)，C₁、C₂為常數(shù)，可以通過(guò)將C₁、C₂帶入(1)式來(lái)求得光伏陣列電池的V-I曲線。如果太陽(yáng)輻照度或者溫度發(fā)生變化時(shí)，則需要重新估算新?tīng)顟B(tài)下(此時(shí)假設(shè)太陽(yáng)輻照度為R，電池溫度為T)的電池參數(shù)I_sc-new、I_m-new、V_oc-new、V_m-new，然后得到新的C₁、C₂，再由此得出新?tīng)顟B(tài)下的光伏陣列V-I曲線。新?tīng)顟B(tài)下的電池參數(shù)可通過(guò)以下式子估算：

ΔT＝T-T_ref (4)

V_oc-new＝V_oc[(1-cΔT)ln(e+bΔR)] (8)

V_m-new＝V_m[(1-cΔT)ln(e+bΔR)] (9)

其中參數(shù)包括標(biāo)準(zhǔn)狀況下的太陽(yáng)輻照度參考值R_ref＝1kW/m²,光伏陣列電池濕度參考值T_ref＝25℃。

或者，也可以把光伏陣列V-I曲線表作為光伏陣列輸出V-I特性曲線的生成模塊，V-I表中的數(shù)據(jù)可采用工程用數(shù)學(xué)模型生成或者光伏陣列電池廠家提供，光伏陣列V-I曲線表可以減少模擬器的運(yùn)算量，但同時(shí)也占用了模擬器的大量存儲(chǔ)空間?？筛鶕?jù)實(shí)際需求做出相應(yīng)的調(diào)整。

所述的模糊控制模塊采用輸入為誤差與誤差變化率作的二維輸入結(jié)構(gòu)，輸入輸出變量論域均被規(guī)范化為{-6,-4,-2,0,2,4,6}，隸屬度函數(shù)采用幅值為1的等腰三角形，模糊子集定義為﹛負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)﹜，量化因子K_e、K_ec、K_o可以通過(guò)下面的公式確定，然后再根據(jù)實(shí)際控制情況進(jìn)行微調(diào)。

其中，n為誤差、誤差變化率以及輸出控制量量化后分成的檔數(shù)，一般與所選語(yǔ)言值個(gè)數(shù)相同；e_max、ec_max、O_max為誤差、誤差變化率以及輸出控制量的最大值。

所述dq變換又稱Park變換，其變換公式為：

所述αβ變換又稱Clark變換，其變換公式為：

圖2為S10中所述的模糊控制器結(jié)構(gòu)圖，誤差信號(hào)e(n)為直流電流信號(hào)I_dc與參考信號(hào)I_{dc_ref}的差值，K_e、K_ec以及K_o是誤差、誤差變化率以及控制輸出的量化系數(shù)，模糊控制器的輸出為控制信號(hào)的增量，所以通過(guò)輸出的增量加上模糊控制器上一時(shí)刻的輸出i_{d_ref(n-1)}作為本次輸出的控制量i_{d_ref(n)}。

模糊控制器的輸入輸出變量論域均被規(guī)范化為{-6,-4,-2,0,2,4,6}；隸屬度函數(shù)采用幅值為1的等腰三角形，如圖3所示，其中模糊子集定義為﹛負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)﹜。由控制目標(biāo)結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)我們可以推出49條控制規(guī)則，如下表1所示。在控制器完成模糊推理后，我們采用重心法解模糊獲得精確的輸出量O(n)，即：

其中f(O(n)_k)是O(n)_k處的隸屬度。

表1模糊控制規(guī)則表

圖4是開路電壓采用不同控制策略的比較圖，其中曲線A表示當(dāng)輸出電壓升至開路電壓后不采用開路電壓控制策略的輸出電壓圖，B表示采用開路電壓控制策略的輸出電壓圖，從圖中可見(jiàn)針對(duì)開路電壓的單獨(dú)控制能夠很好的穩(wěn)定輸出電壓，避免的不穩(wěn)定因素造成的安全問(wèn)題。

圖5、圖6、圖7是各種工況變化下的輸出電流電壓圖，其中圖5是負(fù)載突降時(shí)的變化圖，圖6是溫度圖升時(shí)的變化圖，圖7是光照度突降時(shí)的變化圖。從這些圖中可以看出結(jié)合模糊PI控制的光伏陣列模擬器能夠很好的適應(yīng)變化，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度十分迅速，穩(wěn)態(tài)精度也相對(duì)較高。

圖8是本例所采用的二極管鉗位三相PWM整流電路，在現(xiàn)階段器件發(fā)展情況下，采用這種整流電路能夠大大提升系統(tǒng)的功率等級(jí)，從而為大功率光伏模擬器的實(shí)現(xiàn)提供了條件；類似的電路還有電容鉗位三相PWM整流電路以及多并聯(lián)型整流電流等。

雖然本發(fā)明是通過(guò)具體實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明的，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種變換及等同替代。另外，針對(duì)特定情形或應(yīng)用，可以對(duì)本發(fā)明做各種修改，而不脫離本發(fā)明的范圍。因此，本發(fā)明不局限于所公開的具體實(shí)施例，而應(yīng)當(dāng)包括落入本發(fā)明權(quán)利要求范圍內(nèi)的全部實(shí)施方式。