基于模糊控制的光伏逆變雙模式控制系統(tǒng)

王 海，胡天友，張曉博

(電子科技大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，四川 成都611731)

0 引 言

隨著光伏發(fā)電及其并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與推廣，光伏逆變器的應(yīng)用場合與電網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成趨于復(fù)雜，對光伏逆變器的功能和應(yīng)用范圍提出了更高要求［1］。傳統(tǒng)的線性控制策略在對應(yīng)用環(huán)境變化及本身具有非線性的光伏逆變器控制中效果較差。同時隨著應(yīng)用場合及負載的供電可靠性要求，逆變器需要具有獨立/并網(wǎng)雙模式工作特性，以滿足脫網(wǎng)條件下光伏逆變器對負載的可靠供電，提高光能利用效率。同時需使光伏逆變器工作模式無縫切換，以保證負載供電切換過程的平滑可靠。

本文分析了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)特性，并提出基于模糊控制的雙模式光伏逆變器控制策略，使光伏逆變器具有良好的抗干擾能力和較強的魯棒性，同時設(shè)計合理的模式切換策略，保證切換過程的平滑過渡，實現(xiàn)無縫切換。通過實驗結(jié)果驗證了該方案的可行性。

1 雙模式逆變系統(tǒng)工作原理

圖1 所示為光伏逆變器獨立/并網(wǎng)雙模式控制系統(tǒng)原理圖，由IGBT 模塊(T1 ～T4)構(gòu)成橋式功率電路［2］，利用正弦波脈寬調(diào)制方法實現(xiàn)逆變輸出。經(jīng)過電感L、電容C 構(gòu)成的低通濾波器將輸出信號的高頻諧波濾除［3］，產(chǎn)生工頻交流正弦波信號輸出至負載和電網(wǎng)［4］。切換電路開關(guān)S 由快速雙向可控開關(guān)器件構(gòu)成，實現(xiàn)逆變器獨立/并網(wǎng)輸出切換。

圖1 控制系統(tǒng)原理圖

同時，采樣調(diào)理電路實時采樣輸出電壓uO和輸出濾波電感電壓uL與電流iL，并檢測電流過零點送入DSP 作控制處理。

1.1 逆變器輸出特性分析

如圖1 所示，逆變系統(tǒng)IGBT 逆變信號輸出后經(jīng)過LC 濾波電路［5］，此時逆變器系統(tǒng)后端具有明顯的非線性特性，如圖2 所示。由于m1，m2和m3處的曲線斜率不同，在調(diào)整相同的占空比時產(chǎn)生的輸出量調(diào)整變化量會隨著時間變化而不同。

圖2 逆變系統(tǒng)非線性特性圖

同時，由于光伏逆變系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境較為復(fù)雜，存在不可預(yù)期的負載阻抗Z 的變化和外界干擾，較難建立精確的數(shù)學(xué)模型。此時傳統(tǒng)的線性控制策略較難適應(yīng)應(yīng)用環(huán)境。

1.2 模糊控制性能分析

模糊控制器原理為［6］:首先建立模糊控制推理方法與模糊量隸屬函數(shù);然后將輸入信號的精確量離散化和模糊化，變?yōu)槟：克腿肽：袆e模塊通過模糊控制推理方法作相應(yīng)判別;最后將模糊控制處理結(jié)果輸出。

模糊控制針對難以建立精確數(shù)學(xué)模型和存在參數(shù)變化及負載干擾的非線性系統(tǒng)有較強的針對性和應(yīng)用效果［7］。同時能夠簡化系統(tǒng)復(fù)雜性，使系統(tǒng)具有較強適應(yīng)性與魯棒性。所以在具有非線性和負載變化與環(huán)境干擾較大的光伏逆變系統(tǒng)中引入模糊控制器。

1.3 雙模式切換暫態(tài)分析

光伏逆變器在獨立工作時主要控制穩(wěn)定電壓輸出［8］，并網(wǎng)工作時主要控制并網(wǎng)電流，故需要采用雙工作模式控制。工作模式切換有兩種情況:在電網(wǎng)異?；蛘呤盏綌嗑W(wǎng)指令時，逆變輸出通過切換電路與電網(wǎng)斷開，與負載連接并給負載供電，由獨立工作模式轉(zhuǎn)為并網(wǎng)工作模式;在電網(wǎng)正常時逆變器接收到并網(wǎng)指令后，逆變輸出通過切換電路與電網(wǎng)連接并輸出并網(wǎng)電流，由并網(wǎng)工作模式轉(zhuǎn)為獨立工作模式。

(1)獨立模式切換為并網(wǎng)模式暫態(tài)分析。獨立模式下光伏逆變器作為獨立電壓源給負載提供穩(wěn)定電壓uO，在t1時刻切換電路動作，逆變器輸出連接到電網(wǎng)，此時負載電壓uO被強制突變?yōu)殡娋W(wǎng)電壓ug。突變量為

同時，由于獨立模式下為電壓控制，切換為并網(wǎng)模式的電流控制時導(dǎo)致并網(wǎng)前輸出值突變?yōu)椴⒕W(wǎng)需求的最大功率跟蹤的電流給定輸出值。突變增量為

式中:Ic為并網(wǎng)模式和獨立模式下的電流輸出值瞬時值;θ 為并網(wǎng)模式和獨立模式下的輸出阻抗引起的電流與電壓相位差。

(2)并網(wǎng)模式切換為獨立模式暫態(tài)分析。并網(wǎng)模式下，光伏逆變器處于電流源輸出控制模式，負載電壓uO為電網(wǎng)電壓ug，逆變器輸出電流為并網(wǎng)模式下電流控制算法的電流ic。控制模式切換時，逆變器電壓閉環(huán)控制電壓產(chǎn)生變化，同時切換為獨立模式時電流環(huán)控制對象給定值發(fā)生突變，電流突變量為

綜上，在工作模式切換過程中，控制不當(dāng)會產(chǎn)生輸出電壓電流畸變，對負載產(chǎn)生瞬時沖擊。所以在切換過程中應(yīng)該保證電壓電流突變量越小越好，避免產(chǎn)生輸出畸變對負載和逆變器系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。

2 雙模式逆變器控制系統(tǒng)

雙模式逆變器控制系統(tǒng)需要在獨立/并網(wǎng)模式下分別控制輸出電壓與電流，同時需保證獨立/并網(wǎng)雙模式切換時逆變器輸出跟蹤電網(wǎng)電壓以減小突變量，避免出現(xiàn)電壓電流突變對負載與逆變器系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。

2.1 模糊控制器設(shè)計

根據(jù)模糊控制原理，需選取適當(dāng)?shù)妮斎肱c輸出變量［9］。本系統(tǒng)采用雙輸入單輸出控制模式。選取逆變器系統(tǒng)模糊控制器輸出變量為IGBT 的占空比，即通過調(diào)整開關(guān)器件占空比在獨立于并網(wǎng)模式下分別調(diào)整輸出電壓uO與電流io。在獨立模式下選取輸出濾波電感uL與輸出電壓誤差ΔuO作為輸入變量。在并網(wǎng)模式下選取輸出濾波電感電流誤差量ΔiL及輸出電感電壓uL為輸入變量。選取濾波電感參數(shù)作為輸入變量可消除由于LC 濾波電路產(chǎn)生的非線性影響。

圖3 為設(shè)計獨立/并網(wǎng)模式下的模糊控制器隸屬函數(shù)。系統(tǒng)共設(shè)計7 個模糊子集:NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB，分別代表正大、正一般大、正小、零、負小、負一般大、負大。輸入量經(jīng)過隸屬函數(shù)模糊化處理后按端模糊規(guī)則繼續(xù)處理。

圖3 隸屬度函數(shù)

系統(tǒng)采用雙輸入單輸出模式建立模糊規(guī)則，模糊規(guī)則以if-then 語句形式建立控制規(guī)則，并利用DSP 程序作模糊推論。設(shè)計合理的模糊控制規(guī)則，輸入為uL、ΔuO、ΔiL，輸出值為占空比k，并由Matlab 仿真得出模糊控制規(guī)則曲面圖如圖4 所示。

圖4 模糊控制規(guī)則曲面圖

最后，將經(jīng)過模糊規(guī)則處理的信號值作解模糊化處理，利用加權(quán)平均法［10］得出判決結(jié)果，即可得到輸出值:

式中:k 為判決結(jié)果;μ 為隸屬度;ui為規(guī)則表中對應(yīng)元素。

2.2 獨立/并網(wǎng)雙模式切換控制策略

由獨立/并網(wǎng)雙模式切換暫態(tài)分析可知，切換過程需要盡量避免出現(xiàn)電壓、電流突變量對系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊［11］。下面設(shè)計切換控制流程保證切換過程平滑過渡。

(1)獨立模式切換為并網(wǎng)模式的控制策略。逆變系統(tǒng)在獨立供電模式下，以系統(tǒng)內(nèi)部控制信號為基準(zhǔn)控制系統(tǒng)穩(wěn)定電壓輸出。收到并網(wǎng)信號時，此時的逆變系統(tǒng)輸出與電網(wǎng)電壓幅值、頻率與相位都可能存在差異［12］。在并網(wǎng)切換開關(guān)動作之前，通過數(shù)字鎖相程序［13］，使逆變器輸出電壓與電網(wǎng)匹配。

首先經(jīng)過DSP 比較計算出市電與逆變器輸出相位差及市電頻率后，設(shè)置DSP 的脈寬調(diào)制中斷子程序，將計算得出的相位差值與需要跟蹤的市電頻率送入PWM 中斷中，計算得出實時的逆變器參考正弦波，通過逐步調(diào)整逆變器輸出波形的頻率以逐漸跟蹤上市電相位。當(dāng)相位差值為零時，逆變器恢復(fù)市電頻率輸出，完成鎖相。

獨立模式下為電壓控制算法。在完成逆變器輸出鎖相后，逆變器電壓與電網(wǎng)電壓保持匹配。鎖相完成后切換控制算法，由電壓控制轉(zhuǎn)為電流控制，并將負載電流作為控制初值以保證平滑過渡。此時，由于不同負載的性質(zhì)不一樣，可能存在逆變器輸出電壓與電流存在相差［14］。選擇負載電流過零點啟動切換開關(guān)，可有效避免電流沖擊。啟動切換后為避免電壓控制轉(zhuǎn)為電流控制產(chǎn)生沖擊，在切換完成到穩(wěn)定并網(wǎng)工作階段實施逐步調(diào)整電流，避免系統(tǒng)出現(xiàn)沖擊。

(2)并網(wǎng)模式切換為獨立模式的控制策略。逆變系統(tǒng)在并網(wǎng)模式下，系統(tǒng)作輸出電流控制，保證最大功率并網(wǎng)。輸出電流通常大于負載工作電流［15］。

在接收到切換指令時，首先將負載電流信號送入DSP 作為參考電流值送入并網(wǎng)模式下的電流控制，將逆變器輸出電流逐步減小為負載電流。完成電流調(diào)整后，由于此時并網(wǎng)過程逆變電壓與電網(wǎng)電壓保持匹配，故可以保持電流控制并實施電路切換。切換完成后，控制模式由電流控制轉(zhuǎn)化為獨立模式下的電壓控制。

在該切換控制策略中，通過對逆變輸出電壓電流的有效控制及切換時刻合理選取，有效避免出現(xiàn)電壓電流瞬態(tài)沖擊對系統(tǒng)和負載產(chǎn)生影響。

3 實驗結(jié)果分析

根據(jù)上述分析設(shè)計，基于TMS320LF2812 設(shè)計制作了一套基于模糊控制的雙模式光伏逆變器樣機，并進行了實驗。設(shè)計樣機參數(shù)為:額定交流輸出電壓220 V;額定輸出功率3 kVA。

圖5 所示為逆變器獨立模式切換為并網(wǎng)模式的實驗波形，圖6 所示為逆變器由并網(wǎng)模式切換為獨立模式的實驗波形，1 號通道信號為負載電壓波形，2 號通道為逆變器輸出電流波形。

圖5 模式切換控制流程

圖6 實驗波形

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于模糊控制的雙模式光伏逆變并網(wǎng)系統(tǒng)控制策略，并根據(jù)控制方案基于DSP設(shè)計了一套實驗裝置。運用DSP 的高效可靠的數(shù)字化性能，實現(xiàn)了逆變器輸出實時跟蹤市電輸出并且在負載變化時具有較強的魯棒性，同時工作模式切換過程中實現(xiàn)平滑過渡。實驗結(jié)果表明，該控制策略穩(wěn)定可靠，適用于帶負載的雙模式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

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