独立光伏储能系统鲁棒稳定电流控制器参数设计

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!

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