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2 鲁棒PI控制器参数的实用设计法
在前述分析的基础上,进一步令ro=0(即rD=0, Rs=0),光伏电池近似为恒压源(Us=Umpp,70℃)。此时,ro达到最小且占空比D达到最大。由基本设计准则可知,基于此设计出的输出电流PI控制器参数,可以使系统具有更强的鲁棒性,而且无需再测量实际工况下光伏电池的动态参数,设计更为简便、实用。需要注意的是,此时负载功率为该充电模式下的最小值Po,min。本文将该设计方法称为CCC模式下独立光伏储能系统鲁棒PI控制器的实用设计法。
图6 基于实用设计法的系统小信号模型
表4 式(5)的系数表达式
图7 鲁棒PI控制器参数选择范围
3 实验验证
为了验证理论分析的正确性,构建了独立光伏储能系统的实验样机,其参数如表2和3所示。输出电流采样系数Kio=0.5,PWM调制器增益Fm=0.4。实验中,光伏电池板面温度变化范围:30℃~65℃,光照变化范围:700~1000 W/m2(对应的光电流Iph变化范围是7~9.5 A)。图8给出了该光伏电池在不同环境条件下的实测稳态输出特性曲线。为了验证CCC模式下光照、温度及负载大小对系统稳定性的影响,分别在不同温度下进行了突卸负载及突变光照实验。采用单通道直流电子负载(ITECH IT8512+120V30A300W)与0.1Ω/5W的固定电阻串联来模拟蓄电池,实验中电子负载工作在恒压模式,通过在tswitch时刻改变电压设定值来实现负载突变,通过在该时刻调整光伏电池板角度来实现光照突变。实验中采用泰克TDS3014C四通道示波器,电压探棒衰减系数为0.1,电流探棒转换系数为0.1V/A。
图8 太阳能电池板的实测输出特性曲线
在图7所示的非鲁棒稳定区选取控制器参数(kp=1, ki=6000)。图9给出了上述控制参数下,不同光照、温度和负载条件时光伏接口变换器输出电流io、输出电压uo以及输入电压uin的实验波形。由图9(a)可以看出:相同光照和温度条件下,输出电流在轻载时剧烈振荡,而在重载时保持稳定。由图9(c)可以看出:相同负载和温度条件下,输出电流在弱光照时可以保持稳定,而在强光照时失去稳定。此外,对比图9(a)和(b)或图9(c)和(d),均可以看出:输出电流在高温条件更难稳定。上述实验现象说明随着温度变高、光照增强或负载减轻,输出电流的稳定性逐渐变差,这与理论分析所得结论相一致。
图9 kp=1, ki=6000时的实验波形
在图7所示的鲁棒稳定区中分别选取PI控制参数:( kp=0.3, ki=1000)和(kp=0.6, ki=2000)。图10和图11分别给出了上述控制器参数下,不同光照、温度及负载条件时的实验波形。可以看出,接口变换器输出电流在各种工况下始终可以保持稳定,从而验证了本文所提出输出电流鲁棒PI控制器参数实用设计法的正确性。
图10 kp=0.6, ki=2000时的实验波形
图11 kp=0.3, ki=1000时的实验波形
图12进一步给出了独立光伏储能系统在CCC模式与MPC模式间切换的实验波形。可以看出,在tswitch1时刻,光照变弱,输入电压从29.5V变为25.5V(Umpp),输出电流变为1.5A。这表明此时Pmax/UB 图12 CCC模式与MPC模式的相互切换 4 结论 以Boost变换器为例,分析得到了CCC模式下独立光伏储能系统鲁棒稳定PI控制器的设计准则和方法,并通过300W样机进行了实验验证。研究结果表明: 1)温度、光照、负载等因素影响光伏接口变换器输出电流控制的稳定性。 2)在控制器参数确定的情况下,光伏电池动态输出电阻ro越小,占空比D越大,则系统越不容易稳定,因此应在最小ro,最大占空比D的情况下设计光伏接口变换器控制器参数,此即输出电流鲁棒稳定控制器的设计准则。 3)若令光伏电池输出电阻ro=0,光伏电池近似为恒压源Us=Umpp,70℃,且最小负载,则在此模型下设计控制参数将可以确保CCC模式下光伏接口变换器具有足够强的鲁棒性。 致 谢 本研究得到江苏省高校优秀中青年教师和校长境外研修计划资助,特此致谢! 参考文献 [1] Thang T V,Ahmed A, Chan-in Kim,et al. Flexible system architecture of stand-alone PV power generation with energy storage device[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2015,30(4):1386-1396. [2] Sher H A,Rizvi A A,Khaled E,et al.A single-stage stand-alone photovoltaic energy system with high tracking efficiency[J].IEEE Transactions on Sustainable Energy,2017,8(2):755-762. [3] Wang W T,Ruan X B.A modified reference of an intermediate bus capacitor voltage-based second-harmonic current reduction method for a standalone photovoltaic power system[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2016,31(8):5562-5573. [4] Luiz Henrique S C Barreto,Praca P P,Demercil S Oliveira,et al.High-voltage gain boost converter based on three-state commutation cell for battery ging using PV panels in a single conversion stage[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2014,29(1):150-158. [5] 荣雅君,陈乐,崔明勇,等.基于最大功率点跟踪的蓄电池充电控制策略[J].电网技术,2014,38(2):347-351. Rong Yajun,Chen Le,Cui Mingyong,et al.A battery ging strategy based on maximum power point tracking[J].Power System Techology,2014,38(2):347-351(in Chinese). [6] Suntio T,Leppäaho J,Huusari J,et al.Issues on solar-generator interfacing with current-fed MPP-tracking converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2010,25(9):2409-2419. [7] 秦岭,谢少军,杨晨,等.光伏电池的动态模型和动态特性[J].中国电机工程学报,2013,33(7):19-26. Qin Ling,Xie Shaojun,Yang Chen,et al.Dynamic model and dynamic acteristics of solar cells[J].Proceedings of the CSEE,2013,33(7):19-26(in Chinese). [8] 侯世英,殷忠宁,薛原,等.独立光伏系统恒压工作模式下最优工作区的选择[J].电网技术,2012,36(6):226-231. Hou Shiying,Yin Zhongning,Xue Yuan,et al.Optimal work area ion of stand-alone photovoltaic generation system under constant-voltage operation mode[J].Power System Technology,2012,36(6):226-231(in Chinese). [9] 秦岭,谢少军,杨晨,等.光伏储能系统恒流充电模式下光伏电池的稳定工作区[J].电网技术,2017,41(2):462-469. Qin Ling,Xie Shaojun,Yang Chen,et al.Stable operating area of PV cells in solar energy storage system in constant current ging mode[J].Power System Technology,2017,41(2):462-469(in Chinese). [10] Qin L,Xie S J,Hu M,et al.Stable operating area of photovoltaic cells feeding DC-DC converter in output voltage regulation mode[J].IET Renewable Power Generation,2015,9(8):970-981. [11] Ching S J,Shieh H J,Ming-Chieh Chen.Modeling and control of PV ger system with Sepic converter[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2009,56(11):4344-4353. [12] 秦岭,谢少军,杨晨.光伏电池与前置电容式电流型MPPT变换器的接口稳定性研究[J].电工技术学报,2013,28(5):135-141. Qin Ling,Xie Shaojun,YangChen.Interface stability of photovoltaic cells and current-fed MPPT converter adding input capacitpr[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2013,28(5):135-141(in Chinese). [13] Song L,Ling Q,Yafang W,et al.Design of a robust PI controller for photovoltaic energy storage system in constant voltage ging mode[C]//IEEE 3rd International Future Energy Electronics Conference and ECCE Asia.Kaohsiung,Taiwan:IFEEC 2017 - ECCE Asia,2017:140-145. [14] Long X,Liao R,Zhou J.Low-cost ge collector of photovoltaic power conditioning system based dynamic DC/DC topology[J].IET Renewable Power Generation,2011,5(2):167-174. [15] Sitbon M,Schacham S,Kuperman A.Disturbance observer-based voltage regulation of current-mode-boost-converter-interfaced photovoltaic generator[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2015,62(9):5776-5785.
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