光伏并网系统的混成控制研究

李 莎 粟时平 刘桂英 范孝春 黄 飞

（长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410004）

传统能源短缺和环境污染催生可再生能源的开发和利用，而太阳能又以清洁环保、来源之广而备受人们青睐。近年来，光伏并网系统已经成为光伏发电市场的主流[1]。光伏发电的不连续性和随机性决定了光伏发电系统是一个复杂的非线性系统，而且光伏阵列的输出功率随着外界环境温度、辐照度等因素影响变化频繁[2]。最大限度地跟踪光伏阵列最大功率点和向电网提供稳定、优质的电能是光伏并网系统最主要的控制目标。在光伏并网系统中，并网逆变器作为光伏阵列并入电网的重要接口，并网逆变器本身的工作特性就是典型的混成动态系统特性，因此，在光伏并网系统中引入混成控制思想，能够更好的适应外界环境因素的变化、实现多种目标控制。

针对光伏并网系统具有典型的混成系统特性，本文在分析了光伏并网系统的混成特性之后，提出了单相光伏并网系统混成控制策略。该控制策略是以逻辑条件作为离散事件，离散事件在自动机的作用下改变系统的运行模式，从而达到消除事件的目的。该控制方法能够快速响应外界环境变化、提高并网电能质量、保证系统安全稳定运行，对光伏并网系统的深入研究具有一定的实际意义。

1 混成控制理论

1.1 混成控制系统结构

混成控制系统，通常是指其被控制对象或控制器中同时含有离散模型和连续模型，且这两种模型相互影响共同确定系统的性能。离散模型在控制中通常以离散决策者的形式出现，一个切换选择器或限幅器也可以是控制器的离散部分，而连续模型通常由微分方程或差分方程来描述[3]。混成控制理论是为解决非线性、随机干扰性等复杂系统控制问题提供的新思想。

混成控制系统主要由连续变量动态系统、离散事件动态系统和接口这3个部分构成，可以看成分层结构的小型复杂混成控制系统，如图1所示。其中，离散事件动态系统可用逻辑语言来描述，在接受到接口中的最新变量信息之后分析系统的运行情况，并根据最新信息判断定义的事件是否发生，而决定向连续变量动态系统发送相应的控制指令；连续变量动态系统一般用微分方程或差分方程来描述，从上层中输出的控制指令将决定连续变量动态系统的状态模式的变迁；由事件发生器和执行器组成的接口主要用于两系统之间的信息交换[4-7]。

图1 混成控制系统分层结构图

1.2 混成控制系统建模

混成控制系统建模方法一般有两大类：①基于离散事件动态系统的建模方法，连续系统运行过程由离散事件来划分状态区间，连续动态行为作为离散系统的下层嵌入到系统中来，用多 Agent、有限自动机、Petri网、极大代数等方法来描述复杂的离散动态系统；②基于连续变量动态系统的建模方法离散事件被当成连续系统状态切换的条件，将表示时间和连续变量的微分方程或差分方程进行拓展，以包含体现状态演变的离散事件和变量，如事件流模型、混合逻辑动态系统模型、切换系统模型、仿射型混杂控制模型等[8]。

2 光伏并网发电系统的混成特性分析

在光伏并网系统中，整个系统由光伏阵列、并网逆变器和电网组成，光伏阵列产生电能、变换电路连续工作和电网正常运行表现为连续动态行为，可以用微分方程或差分方程来描述，而外界环境因素的变化、人为操作行为和变换电路中功率开关管的通断表现为离散事件动态行为，连续变量动态行为和离散事件动态为交织作用使得光伏并网发电系统是一个具有明显的非线性、不确定性、非纯一性的典型混成动态系统。其混成特性主要表现在以下几个方面：

1）光伏阵列的混成特性

光伏阵列作为直流电源输入，由于光伏阵列本身的V-I特性和P-V特性具有强烈的非线性，光照强度和环境温度等外界因素可以改变光伏阵列的输出功率、输出电压等。光伏阵列的输出功率和输出电压决定了系统的运行模态，各种模态在光伏阵列的输出功率和输出电压构成的离散事件下变迁，而每一种模态又是连续运行的，因此，光伏阵列呈现出典型的混成动态特性。

2）光伏并网逆变器的混成特性

光伏并网逆变器的主电路是由电力电子开关器件构成，电力电子开关器件是由连续变量动态行为和离散事件行为组成的，开关管的断开和闭合构成离散事件，离散事件决定并网逆变器的电路拓扑，在特定拓扑结构下的连续工作状态就是连续动态系统。而在实际应用当中，并网逆变器的功能决定了其可以工作在有功发生器、无功补偿器、有源滤波器和电能质量统一控制器的并网运行模式，各种模式之间的变迁是离散的，而在每一种模式下的运行状态又是连续的，离散事件行为和连续动态变量行为的相互作用使得光伏并网逆变器是一个复杂的混成动态系统。

3）电网的混成特性

电网是由电源、输电和配电构成的一个庞大系统，除了表现出强非线性、高维数和多时速特征外，正常运行模式下的连续动态行为和输配电的逻辑约束、各种调度控制使得电网具有典型的混成动态特性。

3 单相双极式光伏并网系统

3.1 单相光伏并网系统控制结构

单相光伏并网系统控制原理如图2所示。系统采用两级式结构，前级用 Boost电路完成光伏阵列的最大功率点跟踪控制，后级是全桥逆变电路，主要完成从直流电到交流电的逆变和控制逆变器输出的并网电流与电网电压同频同相。

图2 单相光伏发电并网系统控制原理图

3.2 最大功率点跟踪混成控制策略

光伏阵列的输出功率是外部环境因素的非线性函数，为了充分利用光伏阵列的效能，应该采用最大功率点跟踪控制策略使光伏阵列尽可能的工作在最大功率点。由Boost电路工作原理可得

式中，D为开关T的占空比。在功率平衡的情况下，通过调节占空比 D 可调节光伏阵列输出电压 Upv，从而达到光伏阵列最大功率点跟踪控制的目的。

本文采用变占空比的混成控制方法作为光伏阵列最大功率点跟踪控制策略，在控制过程中，将ΔD分为两个等级，即大步长ΔD1和小步长ΔD2，大步长调节适用于由外界环境突变使得光伏阵列工作在远离最大功率点时，以快速响应外界环境的变化；小步长调节适用于光伏阵列工作在最大功率点附近，以减小功率振荡。由光伏阵列的P-V特性曲线可知，在最大功率点的两侧的符号是不一样的，定义函数；函数。根据S1、S2的符号就可以判断光伏阵列工作点的大概位置，因此，可以决定下一时刻占空比的调节方式。定义如下逻辑条件来构成离散事件。

MPPT混成控制器结构如图3所示，混成控制器首先检测到光伏阵列输出功率和输出电压，通过连续控制环节得到功率和电压的变化情况，控制决策环节先判断定义的事件是否发生，再根据事件类型决定如何调节占空比。变占空比的控制决策如图4所示。

图3 MPPT混成控制器结构

图4 MPPT控制决策自动机模型

3.3 单相光伏并网逆变器混成控制策略

考虑到单相光伏并网逆变器的混成特性，本文将混成控制策略用于对并网逆变器的控制。所用控制策略的基本工作原理是：检测滤波电感电流iL，给定指令电流iref，通过比较iref和iL，根据这两电流的瞬时值之差 Δ i = iref- iL与所设定的误差阈值 H比较来判断下一时刻单相光伏并网逆变器的4个开关管的通断情况。定义如下逻辑条件来构成电流事件。

并网逆变器混成控制器结构如图5所示，混成控制器首先检测到并网电流和电网电压，通过连续控制环节得到指令电流和并网电流，控制决策环节判断定义的事件是否发生，根据事件类型决定选用哪种开关管导通模式来产生PWM信号，PWM信号形成的控制决策如图6所示。

图5 并网逆变器混成控制器结构

图6 并网逆变器控制决策自动机模

4 仿真分析

为验证上述方法的正确性与有效性，将对单相光伏并网系统利用 Matlab软件平台搭建仿真模型进行仿真验证[9-10]。离散控制决策根据图 4 、图 6 所示用Stateflow构建的混成自动机模型，连续系统由Simulink来实现。仿真采用的参数为：光伏电池在标况Tref=25℃ ，Sref= 1 000W/m2情形下运行，Isc=8.3A，Uoc=350V ，Im=7.4A， Um=280V ，电容 Cs=50μF，L1= 4mH ， Cdc=2000μF，滤波电感L=4mH，等效电阻r=0.01Ω，交流侧电网电压us的幅值是310V，频率为50Hz，设定 H = 0.01。仿真结果如图7所示，由仿真波形可知，系统能够稳定工作在最大功率点，并网电流和电网电压基本保持同频同相，满足并网要求。

图7 仿真波形

5 结论

本文分析了光伏并网系统的混成特性，分别设计出了最大功率点跟踪和并网逆变器混成控制决策，建立了基于混成自动机的光伏并网系统控制模型，并进行仿真验证。从仿真结果可得，采用该方法的系统模型结构简单，动态响应速度快，跟踪精度高，因此，采用本文提出的方法解决光伏并网系统控制问题是正确可行的，也是有效的。

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