模糊PID控制在單相光伏逆變電源中的應用

陳圓圓

(商丘師范學院 河南 商丘 476000)

模糊PID控制在單相光伏逆變電源中的應用

陳圓圓

(商丘師范學院 河南 商丘 476000)

文章對PID控制和模糊控制的優缺點進行了分析，并提出了將兩者結合組成模糊自整定PI雙閉環控制，并對控制器進行了設計，最后通過仿真，證明了該方法的有效性。

單相光伏逆變電源；模糊自整定PI雙閉環控制；數學模型；仿真

1 引言

PID控制一種比較成熟的控制算法，在逆變電源中有著廣泛的應用。該控制算法具有較快的動態響應特性和較強的魯棒性[1]。將PID控制引入單相光伏逆變電源，不失為一個好方法。然后光伏逆變電源隨著光照、溫度的變化而在不斷變化，因此是一個時變系統，且在高頻階段，所建的數學模型誤差較大，參數難以實時整定，很顯然，如果采用傳統的PID控制誤差較大。模糊控制不需要精確的數學模型，多應用于時變的多變量、強耦合、非線性的復雜系統，由于控制的簡便性使其得到了廣泛的應用[2]。如果將模糊控制與PID控制相結合，用模糊控制解決在高頻階段逆變系統數學模型不精確和參數不能實時整定的問題，便能夠進一步提高系統的逆變效率。

2 逆變電源系統數學模型

逆變系統采用全橋逆變結構，假設功率開關為理想器件，且開關頻率遠大于LC的頻率，則系統可以等效為一個二階系統。如圖1所示。

圖1 逆變系統等效圖

Vi為單相全橋逆變器輸出電壓；為Lf等效電阻；Lf為濾波電感；iLf為濾波電感電流；為Cf等效電阻，Cf為濾波電容；Vcf為電容電壓；為負荷電流。假設系統所帶負荷為阻性負荷，且阻值為R，可得到復頻域的數學表達式P（ s）。

令采樣頻率與開關頻率相等，根據面積等效原則，以逆變器輸出電壓在每個周期的PWM波平均值作為采樣值，并將逆變橋看作零階保持器，便可將1式離散化，得到其離散數學表達式P（z）。

3 PID雙閉環控制

PID控制在單相光伏逆變電源中有著廣泛的應用，其結構簡單，調節能力強。這種控制方法需要有精確的數學模型，且參數不能自動調整。早期的光伏逆變電源系統中，往往采用的是單環的控制系統，即只將電壓引用了控制系統。這種采用單電壓環控制的系統，當負載發生變化時，特別是接非線性系統時，性能往往滿足不了要求。

為了提高系統性能，將電感電流引入控制系統，和前面所說的電壓環構成雙閉環控制。雙閉環控制系統利用外部電壓環的電壓誤差控制內環的電流，通過電流的調節，令輸出電壓穩定在給定值上，從而提高系統的動態響應能力。

4 模糊控制

在實際應用系統中，存在大量的時變的非線性系統，為了解決這些復雜的，難以建出精確數學模型的系統的控制問題，出現了模糊控制。模糊控制基于經驗，采用數字化的方法，解決了復雜系統控制精度難的問題，是當今智能領域發展最為迅速的控制算法之一。模糊控制模擬了人類的思維，但與其他智能算法相比，卻比較簡單，因此在時變的多變量、強耦合、非線性的復雜系統中得到了廣泛的應用。

如果將模糊控制與PID雙閉環控制相結合，就可以解決前面所說的，在高頻階段，單相光伏逆變系統數學模型不精確，參數不能在線整定的問題。

5 模糊自整定PI雙閉環控制

模糊自整定PI雙閉環控制，是一種將模糊控制與PI雙閉環控制相結合的復合控制策略。它利用模糊控制進行自動在線的整定PI參數，從而提高系統的控制性能。

由于單相光伏逆變電源系統的輸出受溫度、光照的影響，且其負荷類型多變，因此要想得到良好的控制效果，必須對PI參數進行在線調整。通常采用的是在線辨識整定的方法，然而此種方法不適用于非線性、時變性的單相光伏逆變電源系統。將模糊控制引用，從而完美的解決了這個問題。模糊自整定PI雙閉環控制器的結構如圖2所示。

圖2 模糊自整定PI雙閉環控制器結構圖

r為給定的電壓值，y為系統輸出電壓值，e和ec分別為偏差和偏差變化率，將偏差和偏差變化率同時輸入到模糊控制器中，模糊控制器通過模糊化、近似推理和清晰化后，得到ΔKp、ΔKi兩個修正量，并將他們送到PI控制器中，從而達到在線整定的目的。

7.1 接阻性負載系統仿真圖 (R=5Ω)：

圖3（a） PI雙閉環接阻性負載

圖3（b） 模糊自整定PI雙閉環接阻性負載

7.2 接感性負載系統仿真圖

圖4（a） PI雙閉環接感性負載

圖4（b） 模糊自整定PI雙閉環接感性負載

從仿真圖中可以看出，無論接阻性負載還是感性負載，模糊自整定PI雙閉環控制都比PI控制器的精度高。

[1]高軍，黎輝，楊旭，王兆安.基于 PID控制和重復控制的正弦波逆變電源研究[J].電工電能新技術，2002(1):1-4

[2]諸靜.模糊控制理論與系統原理[M].北京:機械出版社,2005,8.

[3]吳曉莉,林哲輝.MATLAB輔助模糊系統設計[M].西安:西安電子科技大學出版社,2002:65-86.

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1007-6344（2016）10-0089-02