超级电容器储能的光伏系统自适应控制研究

张继红 ，郝昊达 ，田 玉，高 春，吴振奎

(1.内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古 包头 014010；2.内蒙古第一机械集团有限公司，内蒙古 包头 014030)

超级电容器储能的光伏系统自适应控制研究

张继红1，郝昊达1，田 玉1，高 春2，吴振奎1

(1.内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古 包头 014010；2.内蒙古第一机械集团有限公司，内蒙古 包头 014030)

针对现有光伏系统稳定性与自调整能力不足的实际情况，提出了一种基于超级电容器储能、自适应控制并网策略的光伏系统。通过分析超级电容器储能原理并对电路进行优化设计，提出了一种新型双Boost模式电路，增大了电路的跨负载电压偏移量，取得了更理想的储能效果。优化了自校正PI控制器，阐述了自校正PI控制的设计和基本原理。新控制器参数控制简便，并且在保持PI控制的基础上，增强了系统对环境的适应能力。通过Matlab波形分析表明，该方案很好地提高了光伏系统的稳定性和鲁棒性。提出的自适应PI控制优化方法可以在弥补传统控制方式不足的基础上，通过进一步研究来提高光伏系统的整体性能，也可为系统中其他环节的优化控制提供研究方向。

光伏发电； 储能； 超级电容器； 逆变器； 控制器； 自适应控制； Boost电路； Matlab/Simulink

0 引言

光伏并网的稳定运行及电能的高质量输出是光伏系统的重要环节，因而优化并网逆变器控制策略、改善电能质量方法成为关注的焦点[1-3]。衡量系统好坏的标准取决于系统的稳态与动态特性，对控制策略进行优化能够改善和提升系统性能。超级电容器作为一种新型储能元件，其充放电次数和循环次数均有良好表现，在分布式发电中得到广泛应用。

系统采用优化后的控制策略，能保证系统具有良好的动态特性。目前广泛采用比例积分(proportional integral,PI)控制算法，其理论成熟、控制器结构简单并且易于设计。本文提出优化的自校正PI控制方式，既满足了以上PI控制器的优点，又提高了系统应对环境变化及干扰的鲁棒性能。

1 超级电容器储能系统

超级电容器是一种新型储能元件，它的充放电次数与循环次数优于目前广泛应用的电化学电池，而且具有功率密度高、工作温度范围宽、无环境污染、可靠性高的优点。超级电容器储能系统将在大功率下[4]，满足系统运行稳定性的要求。超级电容器是由电阻、电容进行复杂串并联构成的器件，其物理模型如图1所示[5]。

图1 超级电容器物理模型

1.1 DC- DC转换电路

本文设计了超级电容器储能系统双向DC-DC变换器的变换电路。该双向DC-DC变换器的变换电路为双Boost模式升压电路。该变换电路使超级电容器具备再生反馈的能力，能满足分布式发电负载要求，因此该超级电容器具有两项功能:充电储能和放电释能。当分布式直流电网能量充足，存在剩余能量时，该系统通过双向DC-DC变换器将其存储在超级电容器中；当分布式直流电网能量无法满足用电需要时，超级电容器便会释放电能，使系统稳定运行。

这种多级非隔离型光伏并网逆变器省去了工频变压器，因而在成本、体积方面更加具备优势。Boost电路可以使光伏列阵工作在一个宽泛的电压范围内。双Boost模式电路结构如图2所示。

图2 双Boost模式电路结构图

每一个电路提供直流偏置的正弦波输出U1和U2，每个电源产生单级电压，U1和U2所代表的相电压的变化等于180°，这使跨负载的电压偏移量最大化。

为了描述控制目的，通常使用平均电流和电压值的平均模型。该模型更适合于控制，因为其由平均、平滑、非线性的连续时间的等式来描述。

1.2 电路模式控制

当Q1关断、Q2开通时，定义q=0；当Q2关断、Q1开通时，定义q=1。升压电路动态方程可表示为:

(1)

(2)

令u=1-q，则以上两式可以表达为:

(3)

(4)

2 自校正PI控制方案

目前采取的控制方案，如PI控制、模糊控制、神经网络和重复控制等，虽然控制效果较为理想，但是也存在一些问题:系统静差跟随性能差、系统超调量大、需要检测多个变量[6]。

基于目前控制方案，由于逆变控制系统的不确定性、输入电压的不稳定性、负载的非线性特征，本文提出一种自校正PI控制系统。其结构如图3所示[7]。

图3 自校正PI控制系统结构图

PI调节器输出端与输入的电压信号经过模型参数辨识后，进行在线参数设计。外环结构实现了PI调节器的自校正过程，作用于被控对象，达到对控制系统自校正PI控制的目的。该系统结构采用自适应控制来解决系统参数和环境变化的问题，并且能够有效提高系统鲁棒性能。

自适应PI控制兼具自适应控制和常规PI控制的优点，不仅需要调整的参数少，而且能够根据对象特性的变化在线修改这些参数，从而增强控制器的自适应能力[8]。

PI控制器的连续形式表示为:

(5)

式中：kp、ki为常规PI控制器的比例积分系数；u(t)为控制输出。

设y(t)为系统输出，yr(t)为参考输入，e(t)为偏差信号，定义e(t)：

e(t)=yr(t)-y(t)

(6)

传递函数形式:

(7)

离散形式:

(8)

式中：Ts为采样周期。

离散增量形式为:

Δu(k)=u(k)-u(k-1)

根据离散形式，上式可表示为：

Δu(k)=kp[e(k)+e(k-1)]+kpkiTse(k)

(9)

由上式可得：

Δu(k)=r0e(k)+r1e(k-1);r0=kp+kpkiTs;r1=-kp。

新控制器的参数r0、r1替代了原有PI控制器中的比例系数kp、积分系数ki，其中r0与比例积分系数相关，r1则是对比例系数的替换。因此，在新设计的控制器中，通过对r0、r1的调整便可以达到调整控制器参数的目的[8-9]。

3 仿真结果与分析

太阳能光伏并网发电系统仿真模型的计算输入如下:光伏阵列装机容量为10 kW，环境温度为26 ℃，太阳辐射强度为1 000 W/m2，电网为三相380 V，频率为50 Hz。逆变器电感L1=1.5 mH，电感L2=0.8 mH，滤波电容C=200 μF。电压环的自校正PI初始设定参数kp=3.6，ki=198；电流控制环的自校正PI参数可根据系统最大功率点的输出进行自调整运行，从而减少系统逆变器输出电流的谐波数量，保证了电网的可靠性和安全性[10]。

当光照强度由1 000 W/m2突然降为750 W/m2，且L2侧负载突然增加时，输出电压仿真结果如图4所示。

由图4可知，自校正PI的电压跌落幅值要小于常规PI控制，因此自校正PI控制方法鲁棒性更强。

图4 输出电压仿真结果图

在逆变器稳定运行状态下，对电路进行仿真，输出电流仿真结果如图5所示。

图5 输出电流仿真结果图

由图5可以看出，自校正PI控制器可以通过自行调整控制器参数达到最佳控制效果，输出的波形比常规PI要平滑，畸变率更小。

4 结束语

本文提出了一种基于新型的双Boost模式DC-DC变换电路的储能系统。通过对参数的调整，能更加有效地提高电路工作效率，进而取得更好的储能效果，电能质量更好。另外，从逆变器的控制角度，提出了一种基于自校正PI的控制策略，它克服了传统PI的不足，在系统鲁棒性能和适应环境能力上均有提升，也降低了仿真的输出波形畸变。

通过仿真分析表明，改进后的策略更能适应环境变化带来的影响，系统更加稳定。

[1] 刘鸿鹏,朱航,吴辉,等.新型光伏并网逆变器电压型控制方法[J].中国电机工程学报,2015(21):5560-5568.

[2] 张文生,陈宇宏.三电平光伏逆变器的新型控制策略研究[J].电子技术,2013(2):20-22.

[3] 杨惠,孙向东,钟彦儒,等.基于双向DC-DC变换器的超级电容器储能系统研究[J].西安理工大学学报,2011(4):456-460.

[4] WANG W X.Research on energy storage of super capacitor,accumulator and lithium batteries in distributed systems[J].Transducers,2014,173(6):204-209.

[5] KHAN J,NASIR U.Voltage stabilization of hybrid micro-grid using super capacitors[J].Journal of Power and Energy Engineering,2015,3(6):1-9.

[6] 戴训江，晁勤． 光伏并网逆变器自适应电流滞环跟踪控制的研究[J]．电力系统保护与控制，2010(4):25-30.

[7] 沈欣炜,郑竞宏,朱守真,等.光伏并网逆变器控制参数的dq轴解耦辨识策略[J].电力系统自动化,2014(4):38-43.

[8] 张为堂,王俊,周泽华.光伏并网逆变器控制设计[J].电源技术,2013(1):71-73.

[9] 方如举．光伏逆变电源的并网策略与自适应控制[J]．可再生能源，2016(2):190-195.

[10]MEJIARUDA E,MEDINA J F,MAULEDOUX M,et al.Adaptive control for solar photovoltaic tracking system[J].Applied Mechanics and Materials,2016,38(23):377-382.

Research on Adaptive Control of PV System for Super Capacitor Energy Storage

ZHANG Jihong1，HAO Haoda1，TIAN Yu1，GAO Chun2，WU Zhenkui1
(1.Information Engineering College，Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China;
2.Inner Mongolia First Machinery Group Co.,Ltd.，Baotou 014030,China)

Aiming at the actual situation of existing PV systems lacking stability and self-adjustment ability,a photovoltaic system based on super capacitor energy storage and adaptive control grid connected strategy is proposed.By analyzing the principle of super capacitor energy storage and optimizing the design of the circuitry,a new type of double Boost mode circuit is proposed,which increases the cross load voltage offset of the circuit and achieves better energy storage effect.The self-correction PI controller is optimized,and the design and basic principle of the self-correction PI control are described.The control of the parameters of this new controller is simple,and the system adaptability to the environment is enhanced on the basis of maintaining the advantages of PI control.Through the Matlab waveform analysis,it is found that the scheme can well improve the stability and robustness of the PV system.The proposed adaptive PI control optimization method can improve the overall performance of the PV system by continuing research on the basis of making up insufficiency of traditional control mode,and also provide the research direction for the optimization control of the other aspects in the system.

PV power generation; Energy storage; Super capacitor; Inverter; Controller; Adaptive control; Boost circuit；Matlab/Simulink

内蒙古自治区自然科学基金资助项目 (2016MS0515)

张继红(1975—)，男，在读博士研究生，副教授，主要从事光伏发电技术的研究。E-mail:zjh00318@163.com。

TH861;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201707004

修改稿收到日期:2017-03-17