基于模糊PID負載強擾下海浪發電逆變器的控制研究

樊 茂，劉惠康

（武漢科技大學 信息科學與工程學院，武漢 430081）

隨著傳統能源日趨枯竭，環境污染問題不斷惡化，新能源的開發迫在眉睫，利用清潔可再生能源日益受到各界廣泛關注。而波浪能已成為繼太陽能、風能之后的又一倍受青睞的新型可再生能源。相比風能與太陽能技術，海浪發電技術[1]要落后幾十年，我國擁有廣闊的海岸線，海洋資源蘊藏豐富，最近幾年中海浪發電被廣泛研究，特別是應用于海島上，解決了孤島上供電供水的問題。由于海浪發電系統大部分都用于孤島，負載都為民用電，所以因家用電器損壞而引起的輸出電壓某一相對地短路的情況時常發生，由于系統采用功率跟蹤控制[2]，這樣會影響到直流母線電壓的恒定，從而對輸出電壓質量造成影響。在傳統的海浪發電控制系統中遇到這種負載強擾情況時，系統無法快速響應來保證母線電壓穩定，從而保證三相輸出電壓的平滑對稱。

本文結合海浪發電控制系統的特點，提出了基于模糊PID的控制策略。在負載發生強擾時，能夠及時地對PID參數進行整定，提高了系統的響應時間和穩態精度，保證了輸出電壓的穩定。本文通過對傳統PID控制和模糊PID控制系統的仿真波形比較，確定模糊PID控制能有效抑制母線電壓突變，提高電壓質量，應用在海浪發電系統上是可行、有效的。

1 海浪發電系統

海浪發電技術隨著近幾年的不斷研究，已在多個領域得到應用。隨著海浪發電技術的不斷發展，為海島上民用電提供電源，為海水淡化系統提供電能已成為可能。海浪發電裝置有很多種，本文介紹的海浪發電系統是由波浪共振器[3-4]、液壓傳動、電機、逆變器、電網所組成。波浪共振器能發出各種頻率的波，這些不同頻率的波形作用于不同的物體就會相應地產生出一種共振波[5]，當這類波到達相應的程度時就能夠帶動液壓杠桿上下擺動，從而使永磁無刷電機工作，發出三相交流電，這些電經過雙PWM整流，逆變之后變成了三相平衡的電壓，流向電網給負載供電。系統中所采用的電機為永磁無刷電機，它結構簡單、利于操作，運行起來可靠性強、抗干擾能力好、而且體積小、質量輕。

1.1 海浪發電系統控制

在海浪發電系統中，控制部分采用的是功率跟蹤技術，即單位功率因數cosφ＝1和恒母線電壓。在實際應用中，Vd為700 V左右。當負載平衡時，Vd保持不變，輸出電壓為三相對稱電壓，且輸入功率Pd等于輸出功率P0。當用電器件出現損壞時，會使輸出電壓的某一相突然對地短路，造成一個較大的電流強擾，導致Vd上下波動，影響海浪發電系統輸出電壓的質量。傳統的控制系統是直接通過PI調節器來調節母線電壓Vd。其PI參數是根據負載平衡的條件計算出來的，不能在線修改，這樣的控制方式響應速度慢、電壓精度低，在負載發生電流強擾時不能及時地對KP，KI，KD進行修正，在外界發生干擾的情況下不能達到理想的效果。

1.2 海浪發電系統控制優化

本文采用模糊PID控制策略，對原有的控制系統進行優化，加入模糊PID控制器模塊，在有大電流強擾的情況下，模糊PID控制模塊能夠及時地對PI參數進行整定，使系統調整到當前最佳運行狀態，抑制了強擾電流對輸出電壓的擾動，使母線電壓能夠快速回到原來的恒定值，保證了輸出電壓平滑穩定。其系統控制框圖如圖1所示。

圖1 模糊PID控制系統框圖Fig.1 Fuzzy PID control system block diagram

圖1中電機M在海浪共振器和液壓杠桿的共同作用下開始運行，海浪發電系統工作，在直流母線上取出給定電壓及電流，在電機M自帶測速電機中可得電機轉速，從而得出給定轉矩；在逆變器一側取出反饋的電壓和電流，得到反饋轉矩，整個系統將經過計算的轉矩偏差e和偏差的變化率ec送進模糊PID控制器，輸出值送進PID調節器進行在線參數整定，由于PWM只需要PI調節器來調節，所以此時可以看成KD=0，將PI調節器的輸出經過dq-abc模塊變換，將2個旋轉的坐標id，iq轉化為3個靜止的坐標ia，ib，ic輸入給PWM模塊，從而達到對海浪發電系統進行調節。

2 模糊PID控制器設計

本設計中模糊控制器采用雙輸入、雙輸出的二維模糊控制結構，取轉矩偏差ΔT和轉矩偏差變化率dT/dt作為2個輸入變量，經過模糊化后將2個輸入量以適當比例轉換成論域中的數值E和EC，再經過模糊推理得出模糊控制信號T1，T2，最后經過解模糊將推論中所得的模糊值轉換成明確的控制信號KP，KI，KD在對PI調節器中的參數進行整定之后經過dq-abc變換得到3個靜止的坐標ΔI，如圖2所示。

圖2 轉矩模糊控制器系統框圖Fig.2 Torque fuzzy controller system block diagram

本方案中模糊PID控制將轉矩偏差e，轉矩偏差變化率ec及輸出變量u轉換成模糊集合的隸屬函數，為保證控制精度的同時簡化計算，選用三角形函數代替正態分布函數。設e，ec及u的模糊子集均為｛負大，負中，負小，零，正小，正中，正大｝，對應為｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，對應 e=｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，ec=｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，u=｛-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7｝分別為其論域。 對應的隸屬函數如圖3和圖4所示。針對海浪發電控制系統的特點，其模糊控制規則如表1和表2所示。

圖3 e，ec隸屬度函數Fig.3 Membership functions of e，ec

圖4 u隸屬度函數Fig.4 Membership functions of u

表1 ΔKp的模糊規則表Tab.1 Fuzzy logic control rules of ΔKP

表2 ΔKi的模糊規則表Tab.2 Fuzzy logic control rules of ΔKI

3 系統仿真

在實際應用中是負載原因引起的輸出電壓某一相對地短路，而造成負載電流過大，由于負載都是民用電，額定電流一般在5 A～20 A左右，所以在仿真過程中在負載電流上加一個大電流信號模塊來模擬現場對系統的干擾，大電流設定為15 A，轉矩給定值為斜坡輸入，模糊控制和傳統PID控制的Simulink仿真結果如圖5所示。可見在0.5 s突加一個15 A的電流時，模糊控制比傳統PID控制調節時間短，且無超調，無余差，有明顯優勢，系統的精度達到預期的要求。傳統PID控制時Vd的偏差率為20%，而在模糊PID控制下Vd的偏差率為5%，很好地抑制了母線電壓波動，達到了預期的效果。

圖5 系統仿真結果Fig.5 System simulation results

4 結語

在人工調節基礎上對海浪發電系統進行電氣自動化改造，應用模糊PID控制實現了恒母線電壓控制系統的優化，并通過實驗仿真驗證了該方法。實踐結果表明，基于模糊PID控制的恒母線電壓控制系統成功地在實驗室海浪發電項目優化工程中得到實現，取得了良好的控制效果。具有較好的跟隨性能，無穩態誤差，超調量較小，Vd偏差率控制在5%左右，很好地滿足了在實際應用中的要求。

[1]Leijon M，Bernhoff H，Agren O.Multiphysics simulation of wave energy to electric energy conversion by permanent magnet linear generator[J].IEEE Trans.on Energy Conversion，2005，20（1）：219-224.

[2]楊海柱，金新民.基于DSP控制的光伏并網逆變器最大功率的跟蹤問題[J].太陽能學報，2005，26（6）：760-765.

[3]蔡元奇.共振波力發電裝置[P].中國專利，CN201110233308，2011.

[4]程波.海浪發電實驗裝置設計與研究[D].山東：山東大學，2012.

[5]文圣常.海浪理論與計算原理[M].北京：科學出版社，1984.