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摘 要：受可持续发展理念的影响，太阳能发电技术被广泛应用，节省下了大量的煤、天然气等不可再生能源。结合太阳能发电实践，本文对光伏并网发电系统的设计进行分析，并在系统设计中引入PID控制算法，保证光伏并网发电系统的正常运行。
关键词：模糊PID控制算法；太阳能；光伏并网发电系统；设计
为了实现清洁、环保发电，太阳能被大量应用到发电技术中，实现了太阳能发电。光伏并网发电便是其中一种太阳能发电方式。为进一步提高太阳能的发电效率，现引入模糊PID控制算法到光伏并网发电系统，将该控制算法与发电系统设计相结合，以提高系统的运行效率，实现平滑并网。下面对模糊PID控制算法在光伏并网发电系统设计工作中的应用作详细论述。
一、并网逆变器的使用和建模
在光伏并网发电系统中，并网逆变器起核心作用。并网逆变器不仅能将发电系统中的直流电转变为交流电，还能控制并网系统中的电压、电流和相位。在两级式并网发电系统中，逆变器承担着直流电变交流电，并控制电网电压与频率两大任务，它的运行与使用时整个并网发电系统工作的重点，影响并直接决定着电网系统的发电质量。下图去为两级式并网逆变器的结构构造图。
结合图1来看，光伏并网发电系统设计中用到的并网逆变器属两级结构，前级为Boost电路，后级为半桥逆变电路与LCL滤波电路。由上图1可推导出并网逆变器的数字模型构造图。
二、PID控制算法
1、原理分析
PID控制，也作模糊PID控制算法，由模糊技术、PID控制算法两种技术共同构成，其性质为一种智能化控制技术。分析模糊PID控制技术的基本原理，发现在模糊PID控制技术中，如果只有单一的模糊控制器存在，并不能很好的消除电网系统的稳态误差，也无法确保电网系统运行的控制精度。但是，如果能结合模糊PID控制原理，将PID调节器和模糊控制器相互结合，则PID调节器所具备的系统稳态误差消除功能会让电网系统的运行变得更加稳定，系统控制精度也会变得更高。
2、应用与设计分析
三相两级式并网发电系统结构由两部分构成，前者为并网逆变器Boost电路，后者为半桥逆变电路与LCL滤波电路。现着重对系统的前部分结构作详细分析。
由于并网逆变器具有非线性特点，能实现线性PID控制，但它仅仅只能确保工作点及工作点附近的运行稳定性，并不能对整个电网系统的运行稳态进行控制，所以在本次研究中，研究者将模糊PID控制算法引入系统设计中，利用该控制方式科学设计出模糊PID控制器，并投入应用，希望能实现对光伏并网发电系统运行的控制。下图2为基于模糊PID控制算法下的光伏并网逆变器结构框架。
模糊控制系统的输入量是电压的偏差e和偏差变化率ec，输出量为PID参数的修正量vKp、vKi、vKd。把在论域内变化的变量分成7个等级，每个等级作为一个模糊变量，对应一个模糊子集或隶属度函数，即：正大（PB）、正中（PM）、正小（PS）、零（Z）、负小（NS）、负中（NM）和负大（NB）。
采样Buck降压电路的输出电压，经过模糊控制器对PID参数进行整定，并通过PWM控制Buck电路中的MOSFET开关管。
观察结果，可以看到传统PID控制的响应曲线仍存在超调现象，系统稳定速度也较慢。相比之下，模糊PID控制的响应曲线具有超调量小、稳定性好以及动态响应好等优势，便于控制非线性系统。
三、基于模糊PID控制技术下的光伏并网发电系统设计
环境污染问题与能源匮乏问题愈加严峻，为了减少发电对石油、天然气等能源的使用和浪费，人们开始将太阳能应用到发电技术中，实现太阳能发电。本文中所提到的光伏并网发电是太阳能发电技术的一种，除了该技术之外，还有一种独立式光伏发电。二者相比，光伏并网发电的技术优势更甚。
光伏并网发电系统设计中，利用模糊PID控制技术，可更好的保证系统设计质量与运行稳定性，与常规性PID控制技术相比，模糊PID控制的动态性能更好，所以基于该控制技术下的光伏并网发电系统运行能更加稳定。
光伏并网发电系统是一非线性系统，在设计过程中，MPPT、孤岛效应等问题一直是研究的重点，其中MPPT问题可采用扰动观测法或电导增量法来实现。本研究将模糊PID控制策略运用到光伏并网发电系统中，并结合Boost升压电路，利用上述的模糊推理设计控制策略，构成两级式并网发电系统。
扰动观测法和电导增量法两种方法都能及时、准确地跟踪光伏阵列的最大功率点电压。但扰动观测法相对而言波动较大，在MPPT跟踪过程中会有部分功率的损失。因此，电导增量法能更好地实现MPPT的跟踪。
利用Matlab/Smi ulink对上述建立的光伏并网发电系统的模型进行仿真，建立相应的Boost输出电压响应曲线图，以及0.1 s前和0.2 s前的光伏并网发电系统的输出电压曲线图。
从曲线图中可以看出，系统的输出电压为交流220 V左右，频率为50 Hz，符合本国对交流电使用的情况，且系统稳定性好，验证了此模型的可行性。
随着DSP技术的日趋完善和进步，针对光伏并网发电系统，可以利用TMS320LF2407A对控制系统进行数字化设计，以更好地实时修改参数，对过压、欠压、超温以及孤岛等故障进行处理。
从光伏并网系统的输出采样电压电流信号给DSP，设计相应的控制算法，结合PWM馈送回主电路中，实现整个系统的数字化控制。
四、仿真实验研究
基于上述研究，在Matlab/simulink中建立了三相两级式光伏并网系统的模型，光伏阵列的输出功率从100 kW突变为600 kW，最大输出电压Umpp=510 V，开路电压Uoc=597 V，短路电流Isc=241.5 A，得出相关仿真结果，并绘制成。对仿真结果进行分析，并观察结果图示，在A相并网的电流电压波形，可以看出基本达到同频同相的要求。另外可知，经过谐波分析得到电流的谐波分量不超过1.8%，达到国家标准。
五、实验验证
为了进一步验证所提控制算法的有效性和可行性，进行了实验验证。系统实验主电路参数与仿真参数相同，控制器部分采用DSP（TMS320F2812）并行处理方式。图3为A相并网的电流电压实验波形，可以看出物理实验结果和仿真结果相类似，进一步基于模糊PID并网算法的有效性。
六、结束语
综上所述，随着太阳能发电技术的兴起与不断推广，光伏并网发电已经成为可能，并且被大量应用到发电工作中，取得了一定的成就与效果。考虑到光伏并网发电系统设计存在一系列难题，设计过程中可能会因为设计方法不当而导致系统运行不稳定，致使光伏并网发电失败，所以在本篇文章中，笔者结合模糊PID控制算法的原理，设计出一套模糊PID控制器，并将其应用到光伏并网发电系统中，通过PID控制方式来提高系统的稳态控制精度，确保了光伏并网发电系统的正常运行。
参考文献
[1] 刘栩，冀捐灶，牛刚，周伟. 基于预测模糊PID控制的航空DC/DC变换器设计[J]. 电测与仪表. 2009（07）
[3] 李洪珠，杨玉岗，刘春喜. 交错并联DC/DC变换器中集成磁件无直流偏磁控制策略研究[J]. 电气技术. 2011（02）
[2] 王一波，伍春生，廖华，许洪华. 大型并网光伏发电系统稳态模型与潮流分析[J]. 清华大学学报（自然科学版）网络.预览. 2009（08）
关键词：模糊PID控制算法；太阳能；光伏并网发电系统；设计
为了实现清洁、环保发电，太阳能被大量应用到发电技术中，实现了太阳能发电。光伏并网发电便是其中一种太阳能发电方式。为进一步提高太阳能的发电效率，现引入模糊PID控制算法到光伏并网发电系统，将该控制算法与发电系统设计相结合，以提高系统的运行效率，实现平滑并网。下面对模糊PID控制算法在光伏并网发电系统设计工作中的应用作详细论述。
一、并网逆变器的使用和建模
在光伏并网发电系统中，并网逆变器起核心作用。并网逆变器不仅能将发电系统中的直流电转变为交流电，还能控制并网系统中的电压、电流和相位。在两级式并网发电系统中，逆变器承担着直流电变交流电，并控制电网电压与频率两大任务，它的运行与使用时整个并网发电系统工作的重点，影响并直接决定着电网系统的发电质量。下图去为两级式并网逆变器的结构构造图。
结合图1来看，光伏并网发电系统设计中用到的并网逆变器属两级结构，前级为Boost电路，后级为半桥逆变电路与LCL滤波电路。由上图1可推导出并网逆变器的数字模型构造图。
二、PID控制算法
1、原理分析
PID控制，也作模糊PID控制算法，由模糊技术、PID控制算法两种技术共同构成，其性质为一种智能化控制技术。分析模糊PID控制技术的基本原理，发现在模糊PID控制技术中，如果只有单一的模糊控制器存在，并不能很好的消除电网系统的稳态误差，也无法确保电网系统运行的控制精度。但是，如果能结合模糊PID控制原理，将PID调节器和模糊控制器相互结合，则PID调节器所具备的系统稳态误差消除功能会让电网系统的运行变得更加稳定，系统控制精度也会变得更高。
2、应用与设计分析
三相两级式并网发电系统结构由两部分构成，前者为并网逆变器Boost电路，后者为半桥逆变电路与LCL滤波电路。现着重对系统的前部分结构作详细分析。
由于并网逆变器具有非线性特点，能实现线性PID控制，但它仅仅只能确保工作点及工作点附近的运行稳定性，并不能对整个电网系统的运行稳态进行控制，所以在本次研究中，研究者将模糊PID控制算法引入系统设计中，利用该控制方式科学设计出模糊PID控制器，并投入应用，希望能实现对光伏并网发电系统运行的控制。下图2为基于模糊PID控制算法下的光伏并网逆变器结构框架。
模糊控制系统的输入量是电压的偏差e和偏差变化率ec，输出量为PID参数的修正量vKp、vKi、vKd。把在论域内变化的变量分成7个等级，每个等级作为一个模糊变量，对应一个模糊子集或隶属度函数，即：正大（PB）、正中（PM）、正小（PS）、零（Z）、负小（NS）、负中（NM）和负大（NB）。
采样Buck降压电路的输出电压，经过模糊控制器对PID参数进行整定，并通过PWM控制Buck电路中的MOSFET开关管。
观察结果，可以看到传统PID控制的响应曲线仍存在超调现象，系统稳定速度也较慢。相比之下，模糊PID控制的响应曲线具有超调量小、稳定性好以及动态响应好等优势，便于控制非线性系统。
三、基于模糊PID控制技术下的光伏并网发电系统设计
环境污染问题与能源匮乏问题愈加严峻，为了减少发电对石油、天然气等能源的使用和浪费，人们开始将太阳能应用到发电技术中，实现太阳能发电。本文中所提到的光伏并网发电是太阳能发电技术的一种，除了该技术之外，还有一种独立式光伏发电。二者相比，光伏并网发电的技术优势更甚。
光伏并网发电系统设计中，利用模糊PID控制技术，可更好的保证系统设计质量与运行稳定性，与常规性PID控制技术相比，模糊PID控制的动态性能更好，所以基于该控制技术下的光伏并网发电系统运行能更加稳定。
光伏并网发电系统是一非线性系统，在设计过程中，MPPT、孤岛效应等问题一直是研究的重点，其中MPPT问题可采用扰动观测法或电导增量法来实现。本研究将模糊PID控制策略运用到光伏并网发电系统中，并结合Boost升压电路，利用上述的模糊推理设计控制策略，构成两级式并网发电系统。
扰动观测法和电导增量法两种方法都能及时、准确地跟踪光伏阵列的最大功率点电压。但扰动观测法相对而言波动较大，在MPPT跟踪过程中会有部分功率的损失。因此，电导增量法能更好地实现MPPT的跟踪。
利用Matlab/Smi ulink对上述建立的光伏并网发电系统的模型进行仿真，建立相应的Boost输出电压响应曲线图，以及0.1 s前和0.2 s前的光伏并网发电系统的输出电压曲线图。
从曲线图中可以看出，系统的输出电压为交流220 V左右，频率为50 Hz，符合本国对交流电使用的情况，且系统稳定性好，验证了此模型的可行性。
随着DSP技术的日趋完善和进步，针对光伏并网发电系统，可以利用TMS320LF2407A对控制系统进行数字化设计，以更好地实时修改参数，对过压、欠压、超温以及孤岛等故障进行处理。
从光伏并网系统的输出采样电压电流信号给DSP，设计相应的控制算法，结合PWM馈送回主电路中，实现整个系统的数字化控制。
四、仿真实验研究
基于上述研究，在Matlab/simulink中建立了三相两级式光伏并网系统的模型，光伏阵列的输出功率从100 kW突变为600 kW，最大输出电压Umpp=510 V，开路电压Uoc=597 V，短路电流Isc=241.5 A，得出相关仿真结果，并绘制成。对仿真结果进行分析，并观察结果图示，在A相并网的电流电压波形，可以看出基本达到同频同相的要求。另外可知，经过谐波分析得到电流的谐波分量不超过1.8%，达到国家标准。
五、实验验证
为了进一步验证所提控制算法的有效性和可行性，进行了实验验证。系统实验主电路参数与仿真参数相同，控制器部分采用DSP（TMS320F2812）并行处理方式。图3为A相并网的电流电压实验波形，可以看出物理实验结果和仿真结果相类似，进一步基于模糊PID并网算法的有效性。
六、结束语
综上所述，随着太阳能发电技术的兴起与不断推广，光伏并网发电已经成为可能，并且被大量应用到发电工作中，取得了一定的成就与效果。考虑到光伏并网发电系统设计存在一系列难题，设计过程中可能会因为设计方法不当而导致系统运行不稳定，致使光伏并网发电失败，所以在本篇文章中，笔者结合模糊PID控制算法的原理，设计出一套模糊PID控制器，并将其应用到光伏并网发电系统中，通过PID控制方式来提高系统的稳态控制精度，确保了光伏并网发电系统的正常运行。
参考文献
[1] 刘栩，冀捐灶，牛刚，周伟. 基于预测模糊PID控制的航空DC/DC变换器设计[J]. 电测与仪表. 2009（07）
[3] 李洪珠，杨玉岗，刘春喜. 交错并联DC/DC变换器中集成磁件无直流偏磁控制策略研究[J]. 电气技术. 2011（02）
[2] 王一波，伍春生，廖华，许洪华. 大型并网光伏发电系统稳态模型与潮流分析[J]. 清华大学学报（自然科学版）网络.预览. 2009（08）