CN103532128B - 直流微电网中光伏发电系统的比例积分准谐振控制方法 - Google Patents

Abstract

直流微电网中光伏发电系统的比例积分准谐振控制方法，属于电能变换技术领域。本发明为了解决由于直流微电网的直流母线电压周期性波动使光伏发电系统无法持续处于最大功率点，进而造成系统效率低的问题。它的过程为，设定光伏电池电流的给定值，采集光伏电池电流，与其给定值作差后分别输入比例积分控制器和准谐振控制器，比例积分控制器的输出值和准谐振控制器的输出值相加作为光伏发电系统中升压电路的占空比，所述的占空比值经过脉宽调制电路获得所述的升压电路中的功率开关器件的控制信号以实现对光伏电池电流的控制。本发明用于直流微电网中光伏发电系统的控制。

Description

直流微电网中光伏发电系统的比例积分准谐振控制方法

技术领域

本发明涉及直流微电网中光伏发电系统的比例积分准谐振控制方法，属于电能变换技术领域。

背景技术

光伏发电技术因其具有清洁、能源近似无限等优点成为解决人类能源紧缺和环境污染双重危机的有效途径而成为研究热点。而基于直流微电网的光伏发电源由于集成形式无需大量的交流逆变器，节省了大量成本，有效降低了系统复杂度，而显示出了巨大的发展潜力和广阔的应用前景。

当光伏发电直流微电网连接单相直流-交流逆变电源等负载时，会产生直流母线电压的周期性波动，进而造成光伏发电系统无法持续处于最大功率点，降低了系统效率。现有针对光伏发电系统的研究成果中，一方面以最大功率点跟踪（MPPT）控制技术为重点；另一方面是在通用DC-DC电路的闭环控制方面。MPPT技术可以分为如下几类：定电压法、扰动观测法、电导增量法、基于阻抗匹配的MPPT方法以及基于现代控制理论和智能控制等方法。另外，还有文献研究了用于直流微电网的光伏发电系统的MPPT控制技术，利用直流母线保持不变的特点，能够获得输出功率与直流变换电路中占空比的线性关系，从而只需检测光伏电池的输出电压或者电流就能够对其输出功率进行控制，从而省去了一部分传感器。上述成果均以基于DC-DC电路的光伏电池最大功率输出为研究重点，并未对这种直流电压的周期波动对光伏电池输出功率的影响给出定量分析和相应的解决办法。

在通用DC-DC电路的闭环控制方面，有比例-积分控制、滑模变结构控制、反馈线性化方法、无源性控制、自适应控制、内模控制以及模糊、神经网络控制等。上述闭环控制均以直流输出电压恒定为目标，同样未考虑直流母线电压波动对光伏电池输出功率的影响，因而无法解决光伏发电系统效率低的问题。

发明内容

本发明目的是为了解决由于直流微电网的直流母线电压周期性波动使光伏发电系统无法持续处于最大功率点，进而造成系统效率低的问题，提供了一种直流微电网中光伏发电系统的比例积分准谐振控制方法。

本发明所述直流微电网中光伏发电系统的比例积分准谐振控制方法，该控制方法基于光伏发电系统的控制装置实现，所述控制装置包括光伏电池、升压电路、电流采集电路、比例积分控制器和准谐振控制器，升压电路由滤波电感、全控型开关器件、二极管和脉宽调制电路组成，

光伏电池的一端经滤波电感连接二极管的正极，二极管的正极还连接全控型开关器件的集电极，全控型开关器件的发射极连接光伏电池的另一端，全控型开关器件的发射极输出端和二极管的负极输出端作为光伏发电系统的直流母线电压输出端；

电流采集电路用于采集光伏电池的电池电流，电流采集电路输出电流信号给加法器，加法器输出的电流信号分别连接比例积分控制器的输入端和准谐振控制器输入端，比例积分控制器和准谐振控制器的输出信号相加后输出给脉宽调制电路，脉宽调制电路的输出端连接全控型开关器件的基极；

在第k个计算周期，k为正整数，所述比例积分准谐振控制方法包括以下步骤：

步骤一：设定光伏电池的电流给定值，通过电流采集电路采集获得光伏电池的实际值；

步骤二：将光伏电池的电流给定值与其实际值做差，获得差值x(k)；

步骤三：将差值x(k)输入到比例积分控制器，获得比例积分控制器在第k个计算周期的输出值y_PI(k)；

同时将差值x(k)输入到准谐振控制器，获得准谐振控制器在第k个计算周期的输出值y_QR(k)；

步骤四：将比例积分控制器在第k个计算周期的输出值y_PI(k)与准谐振控制器在第k个计算周期的输出值y_QR(k)相加，获得升压电路中全控型开关器件的占空比；

步骤五：脉宽调制电路根据步骤四中获得的占空比信号获得升压电路中全控型开关器件的控制信号，实现对光伏电池电流的闭环控制，进而实现对直流微电网中光伏发电系统的比例积分准谐振控制。

步骤三中比例积分控制器的离散化方程为：

y_PI(k)=y_PI(k-1)+K_P[x(k)-x(k-1)]+K_IT_Sx(k)]，

式中y_PI(k-1)为比例积分控制器在第k-1个计算周期的输出值，K_P为比例系数，x(k-1)为光伏电池在第k-1个计算周期的电流给定值和实际值的差，K_I为积分系数，T_S是计算周期值。

步骤三中准谐振控制器的离散化方程为：

$y_{\mathrm{QR}}\left(k\right)=\frac{1}{1+2{\mathrm{\ω}}_c{T}_S+{T_S}^2+{\mathrm{\ω}}^2}\{(2+2{\mathrm{\ω}}_c{T}_S)y_{\mathrm{QR}}(k-1)-y_{\mathrm{QR}}(k-2)+K_R{T}_S[x\left(k\right)-x(k-1)\left]\right\},$

式中ω_c为频率偏移量，ω为直流微电网的直流电压的波动的角频率，y_QR(k-1)为准谐振控制器在第k-1个计算周期的输出值，y_QR(k-2)为准谐振控制器在第k-2个计算周期的输出值，K_R为准谐振控制器的系数。

本发明的优点：本发明控制方法采用比例积分控制器和准谐振控制器的输出值相加作为光伏发电系统中升压电路的占空比，该占空比值经过脉宽调制电路获得升压电路中的功率开关器件的控制信号，以实现对光伏电池电流的控制。它通过使用比例积分控制器结合准谐振控制器的方法，有效抑制了直流电压周期性波动造成的光伏电池输出功率的波动，从而使光伏电池处于持续的最大发电功率点，提高了工作效率，同时具有易于数字化实现的优点。

附图说明

图1是本发明中涉及的直流微电网的原理图；

图2是本发明中基于光伏发电系统的控制装置的原理框图；

图3是传统方法中采用比例积分器对光伏发电系统的光伏电池电流进行单闭环控制的控制原理图；

图4是传统方法中采用比例积分器对光伏发电系统的光伏电池电流进行单闭环控制时，光伏发电系统的各参数仿真波形图；

图5是传统方法中采用比例积分器对光伏发电系统的光伏电池电流进行单闭环控制时的闭环传递函数伯德图；

图6是本发明所述控制方法的闭环传递函数伯德图；

图7是采用本发明控制方法时，光伏发电系统的各参数仿真波形图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述直流微电网中光伏发电系统的比例积分准谐振控制方法，该控制方法基于光伏发电系统的控制装置实现，所述控制装置包括光伏电池1、升压电路2、电流采集电路3、比例积分控制器4和准谐振控制器5，升压电路2由滤波电感L、全控型开关器件T、二极管D和脉宽调制电路2-1组成，

光伏电池1的一端经滤波电感L连接二极管D的正极，二极管D的正极还连接全控型开关器件T的集电极，全控型开关器件T的发射极连接光伏电池1的另一端，全控型开关器件T的发射极输出端和二极管D的负极输出端作为光伏发电系统的直流母线电压输出端；

电流采集电路3用于采集光伏电池1的电池电流，电流采集电路3输出电流信号给加法器，加法器输出的电流信号分别连接比例积分控制器4的输入端和准谐振控制器5输入端，比例积分控制器4和准谐振控制器5的输出信号相加后输出给脉宽调制电路2-1，脉宽调制电路2-1的输出端连接全控型开关器件T的基极；

在第k个计算周期，k为正整数，所述比例积分准谐振控制方法包括以下步骤：

步骤一：设定光伏电池1的电流给定值，通过电流采集电路3采集获得光伏电池1的实际值；

步骤二：将光伏电池1的电流给定值与其实际值做差，获得差值x(k)；

步骤三：将差值x(k)输入到比例积分控制器4，获得比例积分控制器4在第k个计算周期的输出值y_PI(k)；

同时将差值x(k)输入到准谐振控制器5，获得准谐振控制器5在第k个计算周期的输出值y_QR(k)；

步骤四：将比例积分控制器4在第k个计算周期的输出值y_PI(k)与准谐振控制器5在第k个计算周期的输出值y_QR(k)相加，获得升压电路2中全控型开关器件T的占空比；

步骤五：脉宽调制电路2-1根据步骤四中获得的占空比信号获得升压电路2中全控型开关器件T的控制信号，实现对光伏电池1电流的闭环控制，进而实现对直流微电网中光伏发电系统的比例积分准谐振控制。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述步骤三中比例积分控制器4的离散化方程为：

y_PI(k)=y_PI(k-1)+K_P[x(k)-x(k-1)]+K_IT_Sx(k)]，

式中y_PI(k-1)为比例积分控制器在第k-1个计算周期的输出值，K_P为比例系数，x(k-1)为光伏电池在第k-1个计算周期的电流给定值和实际值的差，K_I为积分系数，T_S是计算周期值。

具体实施方式三：下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，本实施方式所述步骤三中准谐振控制器5的离散化方程为：

$y_{\mathrm{QR}}\left(k\right)=\frac{1}{1+2{\mathrm{\ω}}_c{T}_S+{T_S}^2+{\mathrm{\ω}}^2}\{(2+2{\mathrm{\ω}}_c{T}_S)y_{\mathrm{QR}}(k-1)-y_{\mathrm{QR}}(k-2)+K_R{T}_S[x\left(k\right)-x(k-1)\left]\right\},$

式中ω_c为频率偏移量，ω为直流微电网的直流电压的波动的角频率，y_QR(k-1)为准谐振控制器在第k-1个计算周期的输出值，y_QR(k-2)为准谐振控制器在第k-2个计算周期的输出值，K_R为准谐振控制器的系数。

下面对本发明进行详细的说明：

（一）、典型光伏发电直流微电网结构：

本发明中所涉及的典型光伏发电直流微电网结构如图1所示，它包括光伏发电系统和蓄电池储能系统，带动单相逆变负载，主要实现的功能是通过对光伏发电系统和蓄电池储能系统的协调控制，从而保证在不同光伏发电功率的情况下保持直流母线电压的稳定。

（二）、考虑直流母线电压波动的光伏电池输出功率分析：

下面分析传统方法中光伏发电系统采用光伏电池电流的比例积分控制器的单闭环控制时直流电压周期波动对光伏电池输出功率的影响。图3给出了相应的光伏发电系统的控制原理图。光伏发电系统包括光伏电池、升压电路和光伏电池电流采集电路，光伏电池的输出端和升压电路的输入端相连，光伏电池电流采集电路采集光伏电池电流，升压电路包括输入端的滤波电感、全控型开关器件、输出端的二极管和脉宽调制模块。

光伏电池电流的给定值由外部给定。假设直流母线电压存在正弦周期波动，在这种情况下采用MATLAB仿真软件对系统进行仿真研究，图4给出了相应的仿真结果，由图4可以看出，在直流母线电压存在周期波动的情况下，光伏电池电流、电压和功率均存在相同频率的周期波动，使光伏电池无法持续处于最大功率点，从而降低了其工作效率。

（三）、光伏电池电流的比例积分-准谐振控制方法：

基于上述分析，如果能够消除光伏电池电流的稳态误差，使其不存在周期波动，则能够保证其工作在最大功率点。为此，本发明方法提出基于比例积分结合准谐振控制器的光伏电池电流闭环控制方法，来消除直流电压波动的影响。其控制原理如图2所示。它利用比例积分控制器实现电流的稳态无静差控制，利用准谐振控制器来抑制直流电压周期波动的影响。

比例积分控制器4在s域下的传递函数G_PI(s)为：

$G_{\mathrm{PI}}\left(s\right)=K_P+\frac{K_I}{s},---\left(1\right)$

准谐振控制器5在s域下的传递函数G_QR(s)为：

$G_{\mathrm{QR}}\left(s\right)=\frac{K_{R}s}{s^2+2{\mathrm{\ω}}_{c}s+{\mathrm{\ω}}^2},---\left(2\right)$

由此得到比例积分-准谐振控制器在s域下的传递函数G_PI(s)为：

$G_{\mathrm{PIR}}\left(s\right)=K_P+\frac{K_I}{s}+\frac{K_{R}s}{s^2+2{\mathrm{\ω}}_{c}s+{\mathrm{\ω}}^2},---\left(3\right)$

式中，s为拉普拉斯算子。

由式(1)获得的比例积分控制器的离散化方程为：

y_PI(k)=y_PI(k-1)+K_P[x(k)-x(k-1)]+K_IT_Sx(k)](4)

由式(2)获得的准谐振控制器的易于数字化实现的离散化方程为：

$y_{\mathrm{QR}}\left(k\right)=\frac{1}{1+2{\mathrm{\ω}}_c{T}_S+{T_S}^2+{\mathrm{\ω}}^2}\{(2+2{\mathrm{\ω}}_c{T}_S)y_{\mathrm{QR}}(k-1)-y_{\mathrm{QR}}(k-2)+K_R{T}_S[x\left(k\right)-x(k-1)\left]\right\},---\left(5\right)$

从而由式(3)、(4)和(5)获得比例积分-准谐振控制器的易于数字化实现的离散化方程为：

$\begin{array}{c}y\left(k\right)=y_{\mathrm{PI}}\left(k\right)+y_{\mathrm{QR}}\left(k\right)\\ =y_{\mathrm{PI}}(k-1)+K_P[x\left(k\right)-x(k-1)]+K_I{T}_{S}x\left(k\right)]\\ +\frac{1}{1+2{\mathrm{\ω}}_c{T}_S+{T_S}^2+{\mathrm{\ω}}^2}\{(2+2{\mathrm{\ω}}_c{T}_S)y_{\mathrm{QR}}(k-1)-y_{\mathrm{QR}}(k-2)+K_R{T}_S[x\left(k\right)-x(k-1)\left]\right\}\end{array},---\left(6\right)$

上式中，y(k)为第k个计算周期的比例积分-准谐振控制器的总输出，本发明中即作为升压电路的占空比，y_QR(k),y_QR(k-1)和y_QR(k-2)分别为第k，k-1和k-2个计算周期的准谐振控制器的输出，x(k)和x(k-1)分别为第k和k-1个计算周期的比例积分-准谐振控制器的输入的采样值，本发明中是光伏电池电流给定值和实际值的差。

式(6)的输出值即作为升压电路的占空比，将占空比值输入到升压电路的脉宽调制电路获得升压电路中功率开关器件的控制信号。脉宽调制电路2-1的基本原理是，设置一个高频的三角波，并与占空比相比较，在占空比大于三角波时，比较结果为高电平，否则为低电平，由此获得一系列高电平宽度和占空比成正比的方波，从而作为升压电路中功率开关器件的控制信号，以实现对光伏电池电流的闭环控制。根据上述分析，获得本发明的控制方法。

下面分析本发明方法的控制性能。由图2获得光伏电池输出电流的闭环传函为：

${\hat{i}}_{\mathrm{PV}}\left(s\right)=\frac{K_P{s}^3+(K_I+K_R)s^2+4K_P{\mathrm{\ω}}^{2}s+4K_I{\mathrm{\ω}}^2}{T\left(s\right)}{\hat{i}}_{\mathrm{PVref}}\left(s\right)-\frac{(1-D_{\mathrm{PV}})}{U_{\mathrm{DC}}}\frac{s^3+4{\mathrm{\ω}}^{2}s}{T\left(s\right)}{\hat{u}}_{\mathrm{DC}}\left(s\right),---\left(13\right)$

其中

$T\left(s\right)=\frac{L}{U_{\mathrm{DC}}}{s}^4+K_P{s}^3+(\frac{4{\mathrm{L\ω}}^2}{U_{\mathrm{DC}}}+K_I+K_R)s^2+4K_P{\mathrm{\ω}}^{2}s+4K_I{\mathrm{\ω}}^2,---\left(14\right)$

式中为光伏电池电流给定值的扰动分量，D_PV为升压电路的稳态占空比值，U_DC为直流微电网的直流电压，为直流微电网的直流电压的周期扰动分量。

下面首先分析所提出方法对直流电压扰动的抑制作用。由式(13)可知扰动误差传函G_PVIU(s)为：

$G_{\mathrm{PVIU}}\left(s\right)=\frac{{\hat{i}}_{\mathrm{PV}}\left(s\right)}{{\hat{u}}_{\mathrm{DC}}\left(s\right)}=-\frac{(1-D_{\mathrm{PV}})}{U_{\mathrm{DC}}}\frac{s^3+4{\mathrm{\ω}}^{2}s}{T\left(s\right)},---\left(15\right)$

由于直流电压的波动可看作是周期扰动，令s=j2ω，带入式(15)得：

$G_{\mathrm{PVIU}}\left(j2\mathrm{\ω}\right)=-\frac{(1-D_{\mathrm{PV}})}{U_{\mathrm{DC}}}\frac{j2\mathrm{\ω}[{\left(j2\mathrm{\ω}\right)}^2+4{\mathrm{\ω}}^2]}{T\left(j2\mathrm{\ω}\right)}=0,---\left(16\right)$

上式说明所提出的方法稳态扰动误差传函为零，即能够消除直流电压周期扰动对光伏电池电流的影响。

取D_PV=0.5，U_DC=400V，L=1mH，ω=628rad/s，K_P=1，K_I=1，K_R=1，分别绘制采用比例积分控制和本发明提出的方法的扰动传函的伯德图如图5和图6所示。由图可知，比例积分控制在中频段增益等于1，说明其无法消除直流电压周期扰动的影响。本发明所提出的方法在扰动频率处的反向增益非常大，说明能够很好地抑制周期扰动。

（四）仿真结果及分析：

搭建基于SIMULINK的仿真平台，对本发明所提出的控制方法进行仿真验证。图7的仿真结果所示，在未加入本发明所提出方法时，对应图7的0.1s至0.2s，确实存在直流电压的波动，进而造成光伏电池输出电流、电压和功率存在原理性波动，使其无法处于最大功率点，功率波动达到5%，严重影响了其工作效率。在0.2s将所提出方法加入到光伏电池电流的闭环回路，由图示可知，能够很好地消除直流电压波动对光伏电池输出功率的影响，输出功率的波动小于1%，显著提高了其工作效率。

直流微电网的周期波动会降低所联网的光伏发电系统的运行效率，本发明方法提出的比例积分准谐振控制策略用于光伏电池输出电流的控制，在保证输出电流无静差运行的同时有效抑制了直流母线电压周期波动对光伏电池输出特性的影响，进而使光伏电池始终处于最大功率点，从而提高了其运行效率。

Claims (3)

1.一种直流微电网中光伏发电系统的比例积分准谐振控制方法，该控制方法基于光伏发电系统的控制装置实现，所述控制装置包括光伏电池（1）、升压电路（2）、电流采集电路（3）、比例积分控制器（4）和准谐振控制器（5），升压电路（2）由滤波电感（L）、全控型开关器件（T）、二极管（D）和脉宽调制电路（2-1）组成，

光伏电池（1）的一端经滤波电感（L）连接二极管（D）的正极，二极管（D）的正极还连接全控型开关器件（T）的集电极，全控型开关器件（T）的发射极连接光伏电池（1）的另一端，全控型开关器件（T）的发射极输出端和二极管（D）的负极输出端作为光伏发电系统的直流母线电压输出端；

电流采集电路（3）用于采集光伏电池（1）的电池电流，电流采集电路（3）输出电流信号给加法器，加法器输出的电流信号分别连接比例积分控制器（4）的输入端和准谐振控制器（5）输入端，比例积分控制器（4）和准谐振控制器（5）的输出信号相加后输出给脉宽调制电路（2-1），脉宽调制电路（2-1）的输出端连接全控型开关器件（T）的基极；

其特征在于，在第k个计算周期，k为正整数，所述比例积分准谐振控制方法包括以下步骤：

步骤一：设定光伏电池（1）的电流给定值，通过电流采集电路（3）采集获得光伏电池（1）的实际值；

步骤二：将光伏电池（1）的电流给定值与其实际值做差，获得差值x(k)；

步骤三：将差值x(k)输入到比例积分控制器（4），获得比例积分控制器（4）在第k个计算周期的输出值y_PI(k)；

同时将差值x(k)输入到准谐振控制器（5），获得准谐振控制器（5）在第k个计算周期的输出值y_QR(k)；

步骤四：将比例积分控制器（4）在第k个计算周期的输出值y_PI(k)与准谐振控制器（5）在第k个计算周期的输出值y_QR(k)相加，获得升压电路（2）中全控型开关器件（T）的占空比；

步骤五：脉宽调制电路（2-1）根据步骤四中获得的占空比信号获得升压电路（2）中全控型开关器件（T）的控制信号，实现对光伏电池（1）电流的闭环控制，进而实现对直流微电网中光伏发电系统的比例积分准谐振控制。

2.根据权利要求1所述的直流微电网中光伏发电系统的比例积分准谐振控制方法，其特征在于，步骤三中比例积分控制器（4）的离散化方程为：

y_PI(k)=y_PI(k-1)+K_P[x(k)-x(k-1)]+K_IT_Sx(k)]，

式中y_PI(k-1)为比例积分控制器在第k-1个计算周期的输出值，K_P为比例系数，x(k-1)为光伏电池在第k-1个计算周期的电流给定值和实际值的差，K_I为积分系数，T_S是计算周期值。

3.根据权利要求2所述的直流微电网中光伏发电系统的比例积分准谐振控制方法，其特征在于，步骤三中准谐振控制器（5）的离散化方程为：

$y_{\mathrm{QR}}\left(k\right)=\frac{1}{1+2{\mathrm{\ω}}_c{T}_S+{T_S}^2+{\mathrm{\ω}}^2}\{(2+2{\mathrm{\ω}}_c{T}_S)y_{\mathrm{QR}}(k-1)-y_{\mathrm{QR}}(k-2)+K_R{T}_S[x\left(k\right)-x(k-1)\left]\right\},$

式中ω_c为频率偏移量，ω为直流微电网的直流电压的波动的角频率，y_QR(k-1)为准谐振控制器在第k-1个计算周期的输出值，y_QR(k-2)为准谐振控制器在第k-2个计算周期的输出值，K_R为准谐振控制器的系数。