一种并网光伏发电系统控制方法及系统与流程

1.本技术涉及太阳能发电控制技术领域，尤其是涉及一种并网光伏发电系统控制方法及系统。


背景技术：

2.近年来，随着国家政策对整县光伏的推动，分布式光伏装机规模迅猛增加，三相光伏也广泛应用于中低压配电网中。由于光伏发电的波动性和间歇性，三相光伏并网发电系统成为一个高度非线性和不确定的系统。如果没有快速响应的逆变器控制，系统的这些非线性和不确定性会给配电网带来电能质量、系统损耗等问题。
3.在现有技术中，通过制定基于光伏最大发电功率跟踪的滑模控制策略，以此来解决三相光伏并网发电系统的非线性和不确定等问题。滑模控制(sliding mode control, smc)也叫变结构控制，本质上是一类特殊的非线性控制，且非线性表现为控制的不连续性。这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定，而是可以在动态过程中，根据系统当前的状态（如偏差及其各阶导数等）有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关，这就使得滑模控制具有快速响应、对应参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点。
4.但在实际的应用过程中，滑模控制本身的切换控制会带来较大的抖振问题，当状态轨迹到达滑动模态面后，难以严格沿着滑动模态面向平衡点滑动，而是在其两侧来回穿越地趋近平衡点，从而产生抖振，而抖振问题是滑模控制实际应用中的主要障碍。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，提出基于自适应滑模控制算法来对三相光伏并网系统进行控制，以在常规的滑模控制律中加入自适应观测项来减弱滑模固有的抖振问题，本技术提供一种并网光伏发电系统控制方法及系统。
6.第一方面，提供一种并网光伏发电系统控制方法，包括：根据分析三相光伏并网发电系统拓扑，建立三相光伏并网发电系统数学模型，所述三相光伏并网发电系统拓扑包括并网光伏逆变器；通过输入输出反馈线性化方法，对所述三相光伏并网发电系统数学模型进行线性化处理；通过制定模糊规则和隶属度函数，构造模糊系统；根据所述模糊系统，设置所述并网光伏逆变器的模糊滑模控制器；设置自适应律对所述模糊滑模控制器中的参数在线实时调整，以得到所述并网光伏逆变器的自适应模糊滑模控制器；通过所述自适应模糊滑模控制器，实现对所述并网光伏逆变器的控制。
7.通过采用上述方案，针对三相并网光伏发电系统中存在的扰动和外部干扰，采用模糊基函数形式的模糊逻辑系统代替滑模控制律中的未知函数和不确定项，设置自适应律实现模糊规则参数的在线调整，解决抖振的问题；同时可以解决系统边界不确定的问题，使系统的稳定性得到提升，与传统的pi控制和滑模控制相比，具有更好的鲁棒性和工程应用
价值。
8.在一种可能的实现方式中，通过制定模糊规则和隶属度函数，构造模糊系统，包括：所述模糊规则为模糊基函数，所述模糊基函数：其中m为模糊规则数，m为输入变量的个数，为以隶属度函数表征、定义在论域u上的模糊集合；所述隶属度函数采用高斯型隶属度函数；其中，为表示模糊变量xi的隶属度函数值，为第j条规则第i个语言变量所取的高斯函数的宽度，是第j条规则的第i个语言变量选取的模糊集合的中心点。
9.上述技术方案为模糊规则的如何制定以及隶属度函数的选择，以此来构造模糊系统。
10.在另一种可能的实现方式中，根据分析三相光伏并网发电系统拓扑，建立三相光伏并网发电系统数学模型，包括：对三相光伏并网发电系统进行分析建模，有以下表达式：其中，为逆变器输出电压，为电网i相电压；其中，为电网电压的dq轴分量，为电网电流的dq轴分量，为逆变器输出电压的dq轴分量；逆变器直流输入侧到交流输出侧的方程如下：
其中，和分别为光伏板输出的电压和逆变器输入的电流；定义状态变量x和控制输入u，则有：得到并网光伏发电系统的状态方程如下式所示，并网光伏发电系统的输出向量为联合式子（8）和（9）可得到如下表示形式，其中，其中，。
11.上述技术方案通过分析三相光伏并网发电系统拓扑，如何建立三相光伏并网发电
系统的数学模型。
12.在另一种可能的实现方式中，通过输入输出反馈线性化方法，对所述三相光伏并网发电系统数学模型进行线性化处理，包括：第一个输出y1的相对度r1是r1=1，第二个输出y2的相对度r2是r2=2；y1的一阶导数和二阶导数y2的导数表述形式如下，式子（13）和（14）表示为如下的矩阵形式，其中，；将式子(16)变形为如下所示的线性输入输出形式，其中和是可选择的外部信号，所述外部信号选择的原则为能确保输出信号y能够跟踪其参考信号。
13.上述技术方案为如何对三相光伏并网发电系统数学模型进行线性化处理。
14.在另一种可能的实现方式中，根据所述模糊系统，设置所述并网光伏逆变器的模糊滑模控制器，包括：针对式子（10）表示的光伏并网系统，当时，给出的式子（15）写成如
下的形式，其中，；和已由式子（16）和（17）给出；针对系统表达式（24），设计的自适应模糊滑模控制器如下，其中，，跟踪误差向量，相关系数，相关系数，跟踪误差，跟踪误差，；系统中的非线性函数和及滑模切换控制由模糊系统得出，在自适应过程中，当时，令，当时，采用模糊切换控制；其中为滑模面边界层的固定宽度，和也为固定参数，由式子（25）和（26）确定。
15.在另一种可能的实现方式中，模糊系统中的参数和需要由设计的自适应律来调节；。
16.在另一种可能的实现方式中，还包括稳定性证明：存在最优逼近参数和；
其中，和分别为和的约束集合；同时定义最小逼近误差为：当所设置的自适应模糊滑模控制器满足式子（34）-（36）中的最优逼近参数且满足式子（37）的最小逼近误差时，系统（24）是渐近稳定的。
17.第二方面，本技术提供一种并网光伏发电系统控制系统，包括，建立数学模型模块，根据分析三相光伏并网发电系统拓扑，建立三相光伏并网发电系统数学模型；线性化处理模块，通过输入输出反馈线性化方法，对所述三相光伏并网发电系统数学模型进行线性化处理；自适应模糊滑膜控制器模块，选择隶属度函数制定模糊规则，构造模糊系统；然后设计自适应控制律在线实时调节模糊参数；通过根据所述自适应模糊系统，设计自适应模糊滑模控制器来实现对并网光伏逆变器的控制。
18.第三方面，提供了一种电子设备，该电子设备包括：一个或多个处理器；存储器；一个或多个应用程序，其中一个或多个应用程序被存储在存储器中并被配置为由一个或多个处理器执行，一个或多个程序配置用于：执行根据第一方面中任一可能的实现方式所示的一种并网光伏发电系统控制方法对应的操作。
19.第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，存储介质存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行以实现如第一方面中任一可能的实现方式所示的一种并网光伏发电系统控制方法。
20.综上所述，本技术的有益技术效果：1.针对三相并网光伏发电系统中存在的扰动和外部干扰，采用模糊基函数形式的模糊逻辑系统代替滑模控制律中的未知函数和不确定项，设置自适应律实现模糊规则参数的在线调整，解决抖振的问题；同时可以解决系统边界不确定的问题，使系统的稳定性得到提升，与传统的pi控制和滑模控制相比，具有更好的鲁棒性和工程应用价值；2.基于自适应滑模控制器来对三相光伏并网逆变器进行控制，以使得光伏并网系统在存在未知参数和未知外部扰动的情况下具有较好的稳定性。
附图说明
21.图1是本技术实施例一种并网光伏发电系统控制方法的流程示意图；图2是本技术实施例中的三相光伏并网发电系统拓扑图；图3是本技术实施例的基于自适应模糊滑模控制器的三相并网光伏发电系统框图；图4是本技术实施例的三相光伏并网发电系统中的并网光伏逆变器的直流输出电压控制效果对比图；图5是本技术实施例的控制信号曲线图；图6是本技术实施例的一种并网光伏发电系统控制系统的结构示意图；图7是本技术实施例的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
22.本具体实施例仅仅是对本技术的解释，其并不是对本技术的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本技术的权利要求范围内都受到专利法的保护。
23.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
24.另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，如无特殊说明，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
25.下面结合说明书附图对本技术实施例作进一步详细描述。
26.如图1所示，在一个实施例中，提供了一种并网光伏发电系统控制方法，该方法具体包括如下步骤：步骤s101，根据分析三相光伏并网发电系统拓扑，建立三相光伏并网发电系统数学模型，所述三相光伏并网发电系统拓扑包括并网光伏逆变器。
27.步骤s102，通过输入输出反馈线性化方法，对所述三相光伏并网发电系统数学模型进行线性化处理。
28.步骤s103，通过制定模糊规则和隶属度函数，构造模糊系统；根据所述模糊系统，设置所述并网光伏逆变器的模糊滑模控制器。
29.步骤s104，设置自适应律对所述模糊滑模控制器中的参数在线实时调整，以得到所述并网光伏逆变器的自适应模糊滑模控制器。
30.步骤s105，通过所述自适应模糊滑模控制器，实现对所述并网光伏逆变器的控制。
31.在一个实施例中，如图2所示的三相光伏并网发电系统拓扑图，对该系统进行分析建模，有以下表达式：
其中，为逆变器输出电压，为电网i相电压。
32.其中，为电网电压的dq轴分量，为电网电流的dq轴分量，为逆变器输出电压的dq轴分量。其中，交轴叫q轴，直轴叫d轴，它们为坐标轴。例如，在永磁同步电机控制中，为了能够得到类似直流电机的控制特性，在电机转子上建立了一个坐标系，此坐标系与转子同步转动，取转子磁场方向为d轴，垂直于转子磁场方向为q轴，将电机的数学模型转换到此坐标系下，可实现d轴和q轴的解耦，从而得到良好控制特性。
33.进一步的，忽略开关损耗，逆变器直流侧到交流输出侧的方程如下：其中，和分别为光伏板输出的电压和逆变器输入的电流。
34.具体的，定义状态变量x和控制输入u，则根据上述式子有：具体的，定义状态变量x和控制输入u，则根据上述式子有：因此得到并网光伏发电系统的状态方程如下式所示，控制的目标是通过电网电流的q轴分量和光伏直流侧输入电压来调节电网的功率因数。因此，系统的输出向量为
因此，联合式子（8）和（9）可得到如下一般的表示形式，其中，在一个实施例中，对并网光伏系统模型的输入输出反馈线性化，具体的，如上述式子（10）-（12）表述的多输入多输出的光伏并网发电系统，可通过输入输出反馈线性化方法来将其转换为反馈线性化形式。
35.为了实现反馈线性化控制，通过采用相对程度的概念，即每个输出连续微分直到有一个输入u1或u2出现。
36.可以证明，第一个输出y1的相对度r1是r1=1，相对第二个输出y2的相对度r2是r2=2。y1的一阶导数和二阶导数y2的导数表述形式如下，因此，式子（13）和（14）可表示为如下的矩阵形式，
其中，。
37.因此，将式子(16)变形为如下所示的线性输入输出形式，其中和是可以以确保渐近的方式选择的外部信号，外部信号选择的原则为能确保输出信号y能够跟踪其参考信号。输出y1和y2渐进跟踪的参考信号分别为和。定义跟踪误差。因此信号和可假设为如下形式，将式子（20）和（21）代入式子（19），得到如下的跟踪误差动态方程，其中，系数和是需要设计的参数，设计选择的条件为能够使得等式 (22) 和 (23) 为hurwitz特征多项式。赫尔维茨多项式（hurwitz polynomial)是一个多项式，其系数是正实数，其根部位于复平面的左半平面或虚轴上，即根的实数部分是零或负的，并能确保跟踪误差和渐近收敛到零。
38.对于该光伏并网系统，由于误差不为0，且矩阵为非奇异矩阵，因此式子（18）给出的控制律是可以实现的。
39.在一个实施例中，对自适应模糊滑模控制器进行设置。具体的，如式子（10）表示的光伏并网系统，当时给出的式子（15）可写成如下的形式，其中，。和已由上述式子（16）和（17）给出。
40.式子（16）、（17）和（24）的特点是都为带有不确定参数的非线性方程。而滑模控制算法针对这种具有未知参数和未知外部扰动下的非线性系统，具有鲁棒性强的特点，因此设置自适应滑模控制器来对三相光伏并网逆变器系统进行控制。
41.为了解决滑模控制中存在的抖振问题，将滑模控制律中的等效控制项和切换控制
项分别采用模糊逻辑系统来逼近，即引入自适应模糊系统，将其与传统滑模控制算法相结合。
42.本技术中的模糊系统采用模糊基函数形式的模糊逻辑系统，隶属度函数采用高斯型隶属度函数。
43.高斯型隶属度函数：其中，为表示模糊变量xi的隶属度函数值，为第j条规则第i个语言变量所取的高斯函数的宽度，是第j条规则的第i个语言变量选取的模糊集合的中心点。
44.模糊基函数：其中m为模糊规则数，m为输入变量的个数，为以隶属度函数表征、定义在论域u上的模糊集合。
45.针对系统表达式（24），设计的自适应模糊滑模控制器（律）如下，其中，，。系统中的非线性函数和及滑模切换控制都可由模糊系统来估计得到，在自适应过程中，当时，令，当时，采用模糊切换控制。其中为滑模面边界层的固定宽度，和参数是固定的，都可由式子（25）和（26）确定。但参数和需要由设计的自适应控制律来调节，那么闭环控制系统将是稳定
的，且跟踪误差将渐进收敛至零。
46.进一步的，还包括对控制系统的稳定性证明。
47.具体的，根据王立新的全局近似理论，存在最优逼近参数，定义三个模糊系统的最优参数分别为和。
48.其中，和分别为和的约束集合，同时定义最小逼近误差为：因此，可得到如下的方程，其中，。
49.取如下形式的lyapunov函数，则有：
其中，。
50.将式子（31）-（33）代入式子（40），可得，根据全局逼近理论可知，则成立，因此本技术设置的自适应模糊滑模控制器是全局渐近稳定的。
51.因此，在一个实施例中，如图3所示，针对实际某个并网光伏发电系统，设计自适应模糊滑模控制器实现对并网光伏发电系统的控制，通过与传统的pi控制和滑模控制对比，证明本实施例中的控制方法的有效性。
52.具体的，并网发电光伏的系统参数如下表1所示，参数名称参数值电网电压有效值220v电感l2mh电阻r0.1ω电网频率50hz直流侧电容2200μf光伏阵列输出的直流电压vdc540v光伏阵列的输出电流ipv3.46a表1 并网发电光伏的系统参数系统其他的设计参数如下：
。
53.控制器的参数设置如下：（1）滑模面设计为积分滑模面：（2）系统状态为，高斯隶属度函数选择如下：基于这15条规则对应的模糊基函数，构造自适应模糊系统来逼近系统函数，令滑模状态s的隶属度函数为：（3）模糊规则后件参数的初始值选为；学习因子。
54.进一步的，基于matlab仿真平台，搭建该并网光伏发电系统的仿真模型，仿真效果如图4和图5所示。故由此可知，采用模糊基函数形式的模糊逻辑系统代替滑模控制律中的未知函数和不确定项，设置自适应律实现模糊规则参数的在线调整，解决抖振的问题；同时可以解决系统边界不确定的问题，使系统的稳定性得到提升。
55.本技术提供一种并网光伏发电系统控制系统200，如图6所示，包括，
建立数学模型模块201，根据分析三相光伏并网发电系统拓扑，建立三相光伏并网发电系统数学模型；线性化处理模块202，通过输入输出反馈线性化方法，对所述三相光伏并网发电系统数学模型进行线性化处理；自适应滑膜控制器模块203，选择隶属度函数制定模糊规则，构造模糊系统；然后设计自适应控制律在线实时调节模糊参数；通过根据所述自适应模糊系统，设计自适应模糊滑模控制器来实现对并网光伏逆变器的控制。
56.本技术实施例中提供了一种电子设备，如图7所示，电子设备300包括：处理器301和存储器303。其中，处理器301和存储器303相连，如通过总线302相连。可选地，电子设备300还可以包括收发器304。需要说明的是，实际应用中收发器304不限于一个，该电子设备300的结构并不构成对本技术实施例的限定。
57.处理器301可以是cpu（centralprocessingunit，中央处理器），通用处理器，dsp（digitalsignalprocessor，数据信号处理器），asic（applicationspecificintegratedcircuit，专用集成电路），fpga（fieldprogrammablegatearray，现场可编程门阵列）或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。其可以实现或执行结合本技术公开内容所描述的各种示例性的逻辑方框，模块和电路。处理器301也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，dsp和微处理器的组合等。
58.总线302可包括一通路，在上述组件之间传送信息。总线302可以是pci（peripheralcomponentinterconnect，外设部件互连标准）总线或eisa（extendedindustrystandardarchitecture，扩展工业标准结构）总线等。总线302可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图7中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
59.存储器303可以是rom（readonlymemory，只读存储器）或可存储静态信息和指令的其他类型的静态存储设备，ram（randomaccessmemory，随机存取存储器）或者可存储信息和指令的其他类型的动态存储设备，也可以是eeprom（electricallyerasableprogrammablereadonlymemory，电可擦可编程只读存储器）、cd-rom（compactdiscreadonlymemory，只读光盘）或其他光盘存储、光碟存储（包括压缩光碟、激光碟、光碟、数字通用光碟、蓝光光碟等）、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质，但不限于此。
60.存储器303用于存储执行本技术方案的应用程序代码，并由处理器301来控制执行。处理器301用于执行存储器303中存储的应用程序代码，以实现前述方法实施例所示的内容。
61.其中，电子设备包括但不限于：移动电话、笔记本电脑、数字广播接收器、pda（个人数字助理）、pad（平板电脑）、pmp（便携式多媒体播放器）、车载终端（例如车载导航终端）等等的移动终端以及诸如数字tv、台式计算机等等的固定终端，还可以为服务器等。图7示出的电子设备仅仅是一个示例，不应对本公开实施例的功能和使用范围带来任何限制。
62.本技术实施例提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，当其在计算机上运行时，使得计算机可以执行前述方法实施例中相应内容。与现有技术相比，本技术实施例中针对三相并网光伏发电系统中存在的扰动和外部干扰，采
用模糊基函数形式的模糊逻辑系统代替滑模控制律中的未知函数和不确定项，设置自适应律实现模糊规则参数的在线调整，解决抖振的问题；同时可以解决系统边界不确定的问题，使系统的稳定性得到提升，与传统的pi控制和滑模控制相比，具有更好的鲁棒性和工程应用价值。
63.应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
64.以上所述仅是本技术的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本技术的保护范围。