基于模糊控制的光伏并网系统功率平滑控制

彭皆彩

【摘 要】为减小光伏发电输出功率间歇性、波动性对光伏并网系统的影响，本文提出一种基于光伏输出功率及储能系统荷电状态的模糊控制策略，通过平滑控制双向DC/DC变换器以控制储能系统输出或吸收电能，实现平滑稳定光伏功率输出及延长储能系统寿命的目的。本文首先分析仿真了在光伏输出功率不稳定的情况下并网电流、电压及波动功率对电网的影响；其次在上述基础上提出了蓄电池两级双向充放电模糊控制方案。通过SIMULINK仿真对比了在不进行平滑控制和用模糊控制进行“削峰填谷”的有效性及准确性。

【关键词】光伏发电；储能系统；荷电状态；模糊控制

【Abstract】In order to reduce the effect of the intermittent and fluctuation of the output of photovoltaic power generation on the grid-connected PV system.In this paper，a fuzzy control strategy based on the PV output power and energy storage system is proposed.By controlling the bidirectional DC/DC converter to control the output of the energy storage or absorption，to achieve smooth and stable photovoltaic power output and to extend the life of the energy storage system.Firstly，the effects of grid connected current，voltage and power fluctuation on power grid are analyzed and simulated. Secondly，the fuzzy control strategy of the two stage charging and discharging of the battery is put forward. The validity and accuracy of the“cut peak and fill valley” in the non smooth control and fuzzy control are compared by SIMULINK simulation.

【Key words】Photovoltaic power generation；Energy storage system；State of charge；Fuzzy control

0 引言

光伏电源输出受外界环境影响较大，稳定性不高。[1]在并网运行时，出力电源输出发生变化，易导致母线输出功率及电压不稳，进而导致逆变输出波动，对大电网造成影响[2]，因此蓄电池储能系统对母线功率的调节是必不可少的[3]，且是否合理地进行充、放电直接影响着蓄电池的寿命[4]。本文所研究的控制策略是一种基于光伏输出功率变化及电池SOC为约束条件的分层控制策略，实现了储能系统充放电自动平滑切换控制，维持了逆变输出功率平衡，同时兼顾了储能系统荷电状态，延长储能系统使用寿命。

1 系统结构

本文研究的带有储能系统的光伏并网发电系统主要由光伏阵列、电池管理系统BMS、双向DC/DC变换器组、DC/AC逆变器、LC滤波以及升压变压器组成[5]。

2 变换器基本控制策略

2.1 双向DC/DC变换器控制策略

储能单元和直流母线间通过双向DC/DC变换器连接，储能单元的端电压低于直流母线电压，通过变换器能够实现储能电源和直流母线间双向电能流动。

2.1.1 储能单元充放电

本设计储能单元放电的目的是补充光伏模块输出功率缺额，即功率差值△P，所以采用恒功率充放电。其中：

式中Ppv为光伏阵列输出功率，Pgrid为逆变器并网额定功率。

恒功率充放电通过功率外环电流内环实现。采集储能单元端电压Vbat与放电电流Ibat，两者的乘积即为功率单元瞬时输出功率Pbat，将其与功率差值ΔP比较，经PI调节器后与功率单元输出电流Ibat相比较，误差经过PI后与三角波比较得到双向DC/DC变换器的PWM控制信号。

3 储能系统平滑控制策略

当直流母线上出力电源输出发生变化时，易导致母线输出功率及电压不稳，进而导致逆变输出波动，对大电网造成影响。因此，需要设计适合的储能系统电能管理策略，通过在直流母线侧并联蓄电池储能系统，控制电池组充放电以保证直流母线上瞬时功率平衡。

本文提出一种基于母线功率的分层协调控制策略，其基本原理就是通过采集各出力电源输出功率与并网额定功率比较，从而对充放电动作进行约束；同时，采用模糊控制理论兼顾储能单元SOC状态及瞬时最大输入输出功率，为系统选择合适的充放电功率，从而保持直流母线上功率供需平衡。即需满足如下方程：

式中Pbat为储能单元输入输出功率。

3.1 充放电功率约束

一般通过修正滤波时间常数，以保证SOC运行的合理范围，实质上是调整了目标功率值，间接调整充放电功率。本设计提出了基于模糊控制理论的充放电系数整定策略，直接对储能单元充放电功率进行实时控制，对于储能系统SOC的控制准确度更高。

3.1.1 充放电功率整定

充放电系数Ki（i=1，2，…）是指储能系统SOC在变化时，将其分成若干区间范围，在不同的限定区间内约束、调整充放电功率系数。通过充放电系数调整后的实际充放电功率可由公式（3）、（4）计算：

由此可见实际充放电功率△Prel的计算主要在于Ki的调整策略。

3.1.2 基于模糊控制理论的充放电系数整定

以储能系统SOC为标准，当SOC偏高时，若△P<0时，则适当减小Ki，从而减少储能系统吸收的功率，避免SOC增长过高；若△P>0时，则增大Ki，从而增大储能系统放出的功率，加快SOC下降。反之亦然，当SOC偏低时，若△P>0时，则减小Ki；若△P<0时，则适当增大Ki。

所以，本文采用二维模糊控制理论构建计算Ki。输入量为储能系统的SOC和功率差值△P，输出量为Ki。储能系统SOC和Ki的模糊集采用{NB，NS，ZO，PS，PB}，功率变化值△P的模糊集采用{NB，NS，NZ，PZ，PS，PB}。

4 仿真分析

本文以额定输出为10kW的光伏并网系统为例，进行了仿真计算。光伏电池在标准条件下输出功率为10kW，电池额定容量1.8kAh。以下是采用模糊控制补偿和不补偿时的仿真结果及分析。

图1为功率波动时，采用模糊控制补偿后的输出功率波形。

由图中补偿后功率波形知，补偿后可将功率波动限定在可靠的波动范围。

5 结束语

储能系统用以平抑光伏输出波动，避免对电网造成干扰有非常重要的作用。本文采用模糊控制，结合储能系统荷电状态和光伏输出功率差值，输出整定后的充放电系数。控制策略最大的平抑功率波动，同时，有效的保证储能系统荷电状态在合理范围内，避免过度充放电。通过Matlab/Simulink仿真验证了本策略的有效性。

【参考文献】

[1]李春华，朱新坚.基于混合储能的光伏微网动态建模与仿真[J].电网技术，2013，37（1）：39-46.

[2]刘志文，夏文波，刘明波.基于复合储能的微电网运行模式平滑切换控制[J].电网技术，2013，37（4）：906-913.

[3]黄晓东，郝木凯，陆志刚，等.微网系统中电池储能系统应用技术研究[J].可再生能源，2012，30（1）：38-41.

[4]吴红斌，顾缃，赵波，等.蓄电池充放电管理的全过程仿真研究[J].电子测量与仪器学报，2014，28（8）：843-848.

[5]蒋玮，陈 武，胡仁杰.基于超级电容器储能的微网统一电能质量调节器[J].电力自动化设备，2014，34（1）：85-90.

[6]张驰，张代润.基于改进的变步长光伏并网系统MPPT控制策略研究[J].电测与仪表，2012，34（1）：67-71.

[责任编辑：汤静]