光伏发电系统的并网模糊PID控制

贺运胜

（中国能源建设集团有限公司广东火电工程总公司，广东广州 510730）

在可再生能源备受关注的今天，太阳能以取之不尽，用之不竭、清洁、环保等特点成为人们利用的焦点。太阳能发电是合理利用太阳能的有效方法[1]，其中的光伏发电系统分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统两类。在并网光伏发电系统中，对电网的跟踪控制直接关系到输出电能的质量和系统的运行效率，是系统的核心和技术关键，控制系统的性能在很大程度上决定着并网的成败，因此，一种合理的控制策略就显得十分必要[2-7]。

现在并网的技术多种多样，目前处于主导地位的仍然是PID控制技术，但是PID控制器参数一经选取，即固定不变。当光照环境等发生变化时，会导致光伏发电系统的工作条件发生变化，使得逆变跟踪电网电压的精度降低，难以实现平滑并网的要求，其显示出较大局限性，很难取得满意的效果[2-7]。本文从光伏发电自身的特点出发，在模糊控制的基础上，设计了光伏并网模糊PID控制器，该控制器通过实时改变控制器参数值，改善了光伏系统并网控制的动态过程，能够实现光伏系统的平滑并网，并通过数字仿真和物理仿真验证了良好的并网控制效果。

1 并网逆变器及其模型

并网逆变器是并网光伏发电系统的核心部件，不仅承担着把光伏电池发出的直流电转换为交流电，还承担着对频率、电压、电流、相位、有功与无功等进行控制。在两级式并网光伏发电系统中，后级逆变级实现着电能由直流电变为与电网电压同频，同相的交流电的任务，是整个并网系统的重点，它决定着光伏系统输入到电网的电能质量。

图1所示为三相两级式并网逆变器的主体结构。系统采用两级结构，前级DC/DC为Boost电路，后级为半桥逆变和LCL滤波电路。

图1 三相并网逆变器结构Fig.1 Structure of three-phase PV gridconnected inverter

根据图1并网逆变器结构，可以导出如图2所示数学模型结构。

图2 并网逆变器模型结构图Fig.2 Block diagram of PV grid connected inverter mathematical model

2 模糊PID控制

2.1 模糊PID控制原理

模糊PID控制指的是模糊技术与常规的PID控制算法相结合的一种智能控制方法。模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度；而PID调节器的积分调节作用从理论上可使系统的稳态误差控制为零，有很好的消除误差作用。因此把模糊控制和PID调节器相结合以增加稳态控制性能。

太阳能的随机不确定性，要求系统有较快的响应速度和小的超调量。本设计的模糊PID控制器的输入量为误差E=ΔP/ΔU和误差变化率ΔE，输出量光伏阵列输出的电压量U。PID控制器三个参数的变化量ΔkP，ΔkI和ΔkD，分别加上PID控制参数的初始值，得到实际PID控制参数。模糊PID控制器原理如图3所示。

图3 模糊PID控制器结构图Fig.3 Block diagram of fuzzy-PID controller

kP，kI，kD的校正将系统误差E和误差变化率ΔE变化范围定义为模糊集上的论域 {E，ΔE}=[-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5]，其模糊子集为{E，ΔE}={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，子集中元素分别代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立了模糊PID规则表，如表1所示。

表1 模糊PID的k P，k I，k D的规则表Tab.1 The rule table of k P、k I and k D of fuzzy-PID

设E，ΔE和kP，kI，kD均服从正态分布，因此可得出各模糊子集的隶属度，根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵表，修正参数代入下式计算：

在线运行过程中，控制系统通过对模糊规则结果进行处理、查表和运算，完成对模糊PID参数的在线自校正。

2.2 基于模糊PID控制系统的设计

并网光伏系统是一个双环结构，并网电流内环和直流电压外环，分别完成逆变控制和直流侧电压稳定。逆变器直流母线电压的稳定直接决定着最大功率跟踪的效果和并网电流的谐波含量，是连接前后两级的纽带。

并网逆变器开关频率远高于电网频率，故可以忽略开关频率对系统的影响，将PWM逆变单元近似为一个增益环节KPWM。图4所示为并网逆变器电流环控制框图。

图4 电流环控制结构框图Fig.4 Block diagram of current loop control

其中，Us为电网电压；iL为闭环并网电流。

逆变器直流侧电压基本保持稳定，故电压环可采用PID控制器，图5所示为电压环控制结构框图。

图5 电压环控制结构框图Fig.5 Block diagram of voltage loop control

其中ΦI（s），为电流内环传递函数；Udc为直流侧电压。

3 仿真实验研究

基于上述研究，在Matlab/simulink中建立了三相两级式光伏并网系统的模型，光伏阵列的输出功率从100 kW突变为600 kW，最大输出电压Umpp=510 V，开路电压Uoc=597 V，短路电流Isc=241.5 A。仿真结果如图6、图7所示。图6为A相并网的电流电压波形，可以看出基本达到同频同相的要求。图7为并网电流谐波含量图，经过谐波分析得到电流的谐波分量不超过1.8%，达到国家标准。

图6 A相并网的电流电压波形Fig.6 The current and voltage simulation waveforms of phase A in PV grid connected system

图7 A相并网电流谐波含量图Fig.7 Diagram of phase A current harmonic content in PV grid connected system

4 实验验证

为了进一步验证所提控制算法的有效性和可行性，进行了实验验证。系统实验主电路参数与仿真参数相同，控制器部分采用DSP（TMS320F2812）并行处理方式。图8为A相并网的电流电压实验波形，可以看出物理实验结果和仿真结果相类似，进一步基于模糊PID并网算法的有效性。

图8 A相并网的电流电压实验波形Fig.8 The current and voltage experimental waveforms of phase A in PV grid connected system

5 结论

文章从光伏发电系统自身特点的出发，在三相两级式并网逆变器数学模型的基础上，将模糊PID控制策略引入光伏系统的并网控制中。通过数字仿真和物理仿真表明模糊控制与PID控制相结合的模糊PID控制，改善了光伏系统并网控制的动态过程，能够实现光伏系统的平滑并网，并通过数字仿真和物理仿真验证了良好的并网控制效果。

[1] 宁铎，高继春.发展太阳能光伏发电的意义及前景[J].西北轻工业学院学报，2002，20（1）：82-84．NING Ze，GAO Ji-chun.The future and significance of the development of the solar energy in photovotogic area[J].Journal of Northwest University of Light Industry，2002，20（1）：82-84（in Chinese）．

[2] 刘观起，游晓科，杨玉新，等.光伏发电系统最大功率点跟踪方法研究综述[J].陕西电力，2012，40（2）：18-22.LIUGuan-qi，YOUXiao-ke，YANGYu-xin，et al.Study on maximum power point tracking techniques for photovoltaic power generation system[J].Shaanxi Electric Power，2012，40（2）：18-22（in Chinese）.

[3]俞善庆.崇明岛——未来可再生能源基地[J].能源技术，2006，27（1）：13-15，19.YU Shan-qing.Chongming island a future base of new and renewable energy in China[J].Energy Technology，2006，27（1）：13-15，19（in Chinese）.

[4] 杨爱菊，肖松权，李红星，等.太阳能电源点的开发[J].西北水电，2009（5）：95-99.YANG Ai-ju， XIAO Song-quan， LI Hong-xing，et al.Discussion on development of solar energy sources[J].Northwest Water Power， 2009（5）：95-99（in Chinese）.

[5] 刘鹏，南婧.光伏发电技术在微电网中的应用[J].节能，2012，31（10）：7-10.LIU Peng，NAN Qian.Application of photovoltaic power generation technology in the micro grid[J].Energy Conservation，2012，31（10）：7-10（in Chinese）.

[6] 何颖，赵争鸣.新疆光伏发电现状及发展对策[J].能源工程，2004（4）：35-37.HE Ying，ZHAO Zheng-ming.The utilizing status and developing strategies of PV power in Xinjiang[J].Energy Technology，2004（4）：35-37（in Chinese）.

[7] 李碧君，方勇杰，杨卫东，等.光伏发电并网大电网面临的问题与对策[J].电网与清洁能源，2010，26（4）：52-59.LI Bi-jun，FANG Yong-jie，YANG Wei-dong.Problems and countermeasures for large power grids in connection with photovoltaic power[J].Power System and Clean Energy，2010，26（4）：52-59（in Chinese）.

[8] 田绍据，谢华.基于DSP的单相光伏并网控制系统的设计[J].电力电子技术，2009，43（2）：10-11.TIAN Shao-ju，XIE Hua.Design of photovoltaic gridconnected control system based on DSP[J].Power Electronics，2009，43（2）：10-11（in Chinese）.

[9] 黄先伟，张淼，岑长岸，等.参数辨识在光伏发电控制系统中的应用[J].陕西电力，2009，37（1）：5-8.HUANG Xian-wei，ZHANG Miao，CEN Chang-an.Application of parameter identification in control system for photovoltaic generation[J].Shaanxi Electric Power，2009，37（1）：5-8（in Chinese）.

[10]吕新良，张旭，宋晓林，等.分布式光伏发电运行控制技术研究[J].陕西电力，2012，40（2）：66-69.L譈 Xin-liang， ZHANG Xu， SONG Xiao-lin.Tudy on distributed photovoltaic operation control technology[J].Shaanxi Electric Power，2012，40 （2）：66-69 （in Chinese）.

[11]韦小丽.光伏发电自动跟踪系统集控方案分析与设计[J].陕西电力，2012，40（4）：58-63，67.WEI Xiao-li.Analysis&design of photovoltaic generation automatic tracing system central control scheme[J].Shaanxi Electric Power，2012，40（4）：58-63，67（in Chinese）.

[12]王飞，余世杰，苏建徽，等．太阳能光伏并网发电系统的研究[J].电工技术学报，2005，20（5）：87-91.WANG Fei，YU Shi-jie，SU Jian-hui，et al.Research on photovoltaic grid-connected power system[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2005，20（5）:87-91（in Chinese）.

[13]周倩，薛建，于辰，等.基于Matlab的光伏并网系统的仿真分析[J].陕西电力，2012，40（3）：19-22.ZHOU Qian，XUEJian，YUChen.Analysis and simulation for grid-connected photovoltaic system based on matlab[J].Shaanxi Electric Power，2012，40 （3）：19-22 （in Chinese）.

[14]黄殿君，田立欣，王硕，等.光伏并网逆变器控制和仿真[J].现代电子技术，2012，35（10）：146-148.HUANG Dian-jun，TIAN Li-xin，WANG Shuo.Control and simulation of photovoltaic grid-connected inverter[J].Modern Electronics Technique，2012，35（10）：146-148（in Chinese）.

[15]KJAER SB，PEDERSEN J K，BLAABJERG F.A review of single-phase grid-connected inverters for photovoltaic modules[J].IEEE Transaction on Industry Applications，2005，41（5）：1292-1360.

[16]MEINHARDT M，CRAMER G.Past，present and future of grid connected photovoltaic-system and hybrid-powersystems[C]//IEEE-PES Summer Meeting.Seattle，USA：IEEE，2000：1283-1288.