模糊PID控制技術在單級高PFC拓撲光伏模擬器設計中的研究應用

孟志強 張 凱 周華安 邵 武

1(湖南大學電氣與信息工程學院 湖南 長沙 410082) 2(湖南大學機械與運載工程學院 湖南 長沙 410082)

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模糊PID控制技術在單級高PFC拓撲光伏模擬器設計中的研究應用

孟志強1張 凱1周華安2邵 武1

1(湖南大學電氣與信息工程學院 湖南 長沙 410082)2(湖南大學機械與運載工程學院 湖南 長沙 410082)

研究一種采用基于模糊PID控制的單級高PFC(power factor correction)拓撲光伏電池模擬器。通過這種變流器拓撲可同時實現高功率因數校正以及對實際光伏電池輸出I-V特性曲線的跟蹤模擬。采取Psim和Matlab/Simulink聯合仿真對所設計的模擬器系統進行了仿真分析與研究。仿真結果表明，無論是在靜態條件還是外界條件動態變換下該模擬器系統及其控制算法具有快速響應速度和高控制精度。與普通模糊控制算法進行了仿真對比分析，結果顯示該算法具有更好的適用性。

光伏模擬器 功率因素校正 BOOST變換器 模糊PID Matlab/Simulink Psim

0 引 言

太陽能光伏發電的研究越發受到人們的關注。在實際研究中，常用一套輸出伏安特性與實際光伏電池輸出伏安特性近似一致的光伏電池模擬器系統作為實驗用電源來代替光伏電池板進行實驗。使得光伏發電的實驗研究不受外界環境條件的限制，可實時重復性地再現實際光伏電池的輸出特性，大大減少研發成本和周期，提高實驗結果的可信度[1-2]。

太陽能光伏電池模擬器現階段的研究主要集中在三個方向：(1) 光伏電池工程數學模型的建立[3-5]；(2) 模擬器主電路拓撲結構的設計[6-7]；(3) 控制算法的研究[8-9]。光伏電池模擬器主電路結構大多數是采用常見的直流斬波電路，沒有考慮到不可控整流橋與輸出濾波穩壓電容的搭配組合會因較低的功率因數給電網帶來諧波污染。同時，現有模擬器跟蹤控制算法的控制效果也不是十分理想。

本文研究基于一種單級BOOST型功率因數光伏電池模擬器。該模擬器主電路采用第三繞組實現高功率因數校正及對實際光伏電池輸出特性的跟蹤模擬。設計一種基于電流反饋的模糊PID控制算法，該算法充分結合了模糊控制算法和傳統PID控制算法，算法可以不依賴被控系統精確的數學模型。設計較為簡單，抗干擾性強，動態響應迅速，跟蹤模擬性能優良，尤其適合對光伏電池這類強非線性系統的控制。通過Matlab中的Simulink與Psim的聯合仿真結果顯示,本文所設計的這套模擬器及控制算法能夠快速、穩定地追蹤參考工作點，實現各種條件下I-V特性曲線[10-11]的完整模擬,超調量小于3.2%,穩態誤差小于4.6%，而紋波系數小于1.5%，跟蹤時間小于0.006 s。

1 方案設計

1.1 系統設計方案

光伏模擬器系統基本上都是由主電路和控制電路兩部分組成。如圖1所示，主電路主要由不可控整流橋、單級功率變換器電路及負載組成。而控制電路則是如圖2所示分為檢測采樣電路、驅動保護電路，DSP控制器及輔助電源等。單級功率變換器完成有源PFC功率因數校正和光伏電池輸出I-V特性曲線的跟蹤模擬。控制電路采集光伏模擬器的輸出電壓Vo與電流Io，通過光伏電池工程數學模型求得模擬器參考輸出電流Iref，并與模擬器的實際輸出電流Io比較得出電流誤差改變量作為模糊PID控制器的輸入。經過模糊控制器的處理得到PID控制器三參數的改變量，再對PID初始參數值進行調整，進一步得到單級BOOST型變換器功率開關管的占空比。通過對占空比的控制從而實時控制光伏模擬器的輸出電壓及電流跟隨光伏電池輸出特性曲線。

圖1 光伏模擬器控制部分

圖2 光伏模擬器主電路部分

1.2 單級高PFC的BOOST型變換器

單級高PFC的BOOST變換器如圖3所示，同時實現高功率因數校正和DC/DC變換功能，由輸入電感Li，儲能電容Cb、電力MOSFET、三繞組變壓器及倍流整流電路等組成。根據流過輸入電感Li及輸出電感Lo的電流狀態，PFC級和DC/DC級分別有斷續(DCM)、臨界和連續(CCM)三種工作模式。在占空比一定時，BOOST變換器如果工作在電流斷續模式下，輸入電流就會自動跟隨輸入電壓，提高功率因數。這樣，對功率開關管的控制只需要考慮實現模擬器輸出I-V特性的功能就可以了。為了提高DC/DC級的效率、減少電流應力，DC/DC級一般會工作在連續導通模式。

圖3 單級高PFC的BOOST變換器

模擬器輸出達到穩定狀態后，一個開關周期內，其工作過程分為五個線性階段：

(1) 第一階段：開關管S開通，D1、D2、D6正向導通；D2、D3、D4關斷。S開通，電源給儲能電感Li充電，同時儲能電容Cb通過S經由變壓器原邊繞組將能量傳遞到副邊，在負載上得到近似穩恒的直流。

(2) 第二階段：S關斷，D2、D3、D4導通，D1、D5、D6關斷。輸入電感電流通過二極管D3續流并對儲能電容Cb充電。這個階段輸出電感Lo提供輸出功率。

(3) 第三階段 ：S關斷，D2，D4導通，D1、D3、D5、D6關斷。這個階段，輸入電感電流減為0，二極管D3反向截止，施加在勵磁電感Lm和輸出電感Lo上的電壓值分別為(-VCb/m)和(-Vo)。

(4) 第四階段：S關斷，D4導通，D1～D3、D5、D6關斷。輸出電感電流減為0，加在電感Lo上的電壓值為(-VCb/m)，電感電流繼續線性下降。這個階段輸出電容Co提供輸出功率。

(5) 第五階段：S關斷，D1～D6關斷。勵磁電流減為0，二極管D4截止。 當下一個開關周期到來時，開關S再次開通，電路的工作狀態重復前面的五個階段。

2 控制策略

2.1 模糊PID控制器工作原理

本文算法的結構如圖4所示，通過電流電壓采樣電路采集模擬器在第n個采樣周期內，主電路輸出的電流Io及輸出電壓Vo。并將Vo代入到光伏電池輸出I-V特性方程中得到模擬器在第n個采樣周期光伏電池的參考電流Iref后與輸出電流Io作差得到模擬器系統的電流誤差e(n),與上一個采樣周期的電流誤差e(n-1)作差得到模擬器系統在第n個采樣周期內的電流誤差改變量ec(n)。將誤差和誤差改變量作為二維模糊控制器的兩個輸出變量，得到PID控制器的參數調整量Kp′、Ki′、Kd′，經過PID控制器處理得到占空比增量，與上周期占空比疊加得到第n個采樣周期開關管的占空比D(n)，使模擬器的輸出與光伏電池實際工作點電流和電壓相匹配，達到模擬光伏電池輸出I-V特性的目的。

圖4 模糊PID控制器結構

2.2 模糊控制器設計

當光照強度和溫度不變時，光伏電池的輸出I-V特性方程是可以唯一確定的，即其輸出特性方程式(式(1))中，C1、C2在確定光照溫度下是唯一確定的。當負載為某一具體阻值時，光伏電池與負載兩者的I-V曲線交于點C，模擬器控制策略就是為讓模擬器工作在該確定交點C。圖5為模擬器的控制目標示意圖。

(1)

圖5 模擬器控制目標

如圖4所示，顯然其中e(n)和e(n-1)的表達式為：

圖1所示的兩端式同軌雙車運行模式，同一巷道上兩臺堆垛機可以同時工作；左端堆垛機服務左端出/入庫臺，右端堆垛機服務右端出/入庫臺；兩堆垛機的工作區域根據實際工況由列劃分，以避免碰撞。

(2)

(3)

ec(n)=e(n)-e(n-1)=

(4)

本文所設計的模糊控制器輸入輸出變量的論域經量化因子量化后均規范化為[-3,3]，隸屬度函數采用三角函數，模糊子集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

誤差e和誤差改變量ec的量化因子Ke和Kec分別取Ke=0.544，Kec=0.633。經過不斷的實驗及光伏電池輸出I-V曲線跟蹤模擬的控制經驗，可得模糊規則表1，經過模糊規則匹配與模糊推理后，采用重心法解模糊獲得需要的精確控制量。

表1 Kp′/Ki′/Kd′模糊規則表

2.3 PID控制器設計

PID控制器原理如圖6所示，利用模糊控制算法輸出的三參數變化量Kp′、Ki′、Kd′對PID控制器的參數進行適時調整。根據PID控制器的輸出數學表達式可以得到開關管的占空比變化量D(n)′，從而實現對電路輸出的實時調節。

圖6 自整定PID控制結構

PID控制器的輸出函數表達式為：

(5)

3 仿真結果及數據分析

3.1 仿真模型

圖7 仿真控制部分電路

3.2 仿真結果及分析

光伏電池模擬器的外特性是設計模擬器的目的, 對于給定的光伏電池在一定的光照和溫度下其輸出I-V特性曲線保持不變,下面給出不同外界條件改變情況下的仿真結果和分析。

3.2.1 負載突變追蹤

本實驗是在S=1 000 W/m2，T=25 ℃條件下，負載從8 Ω變化到15 Ω過程中，模擬器自動追蹤系統工作點的過程。在發生負載電阻值條件突變后，系統調節重新回到穩態工作的時間間隔僅約為0.006 s，系統的穩態誤差約為4.6%，紋波系數小于1.5%，超調量小于3.2%。圖8、圖9顯示的分別是負載突變過程中模擬器的輸出電流Io、電壓Vo、系統參考電流Iref變化。

圖8 負載突變模擬器輸出電流Io、電壓Vo仿真波形

圖9 負載突變模擬器輸出電流Io與理論電流Iref對比仿真波形

3.2.2 光照強度突變追蹤

本實驗研究的是在負載Ro=10 Ω，環境溫度T=25 ℃，光照度S從900 W/m2依次跳變為950 W/m2、850 W/m2時模擬器輸出特性及追蹤性能。如圖10所示，條件突變后重新到達穩態的時間間隔約為0.003 s。結合仿真波形可以看出，當光照強度S增加時，模擬器的輸出電壓、電流均有增加，相反則減小。圖10、圖11顯示的分別是光照強度突變過程中模擬器的輸出電流Io、電壓Vo、系統參考電流Iref。

圖10 光照突變模擬器輸出電流Io、電壓Vo仿真波形

圖11 光照突變模擬器輸出電流Io與理論電流Iref對比仿真波形

3.2.3 溫度突變跟蹤

本實驗研究的是在負載Ro=10 Ω，而光照強度為S=1 000 W/m2，環境溫度T從40 ℃依次跳變為60 ℃、25 ℃時模擬器輸出特性及模擬器的追蹤性能。條件突變后重新到達穩態的時間間隔約為0.005 s。從圖12可以看出當環境溫度升高時，模擬器的輸出電流電壓均有所減小，但是電壓減小的幅度較大，溫度降低時則均增大。而且從圖中可以看出，在溫度升高所引起的參考電流突變的程度較大。圖12、圖13顯示的分別是溫度突變過程中模擬器的輸出電流Io、電壓Vo、系統參考電流Iref。

圖12 溫度突變模擬器輸出電流Io、輸出電壓Vo仿真波形

圖13 溫度突變模擬器電流Io與理論電流Iref對比仿真波形

3.2.4 算法對比分析

本實驗是在光照強度S=1 000 W/m2，環境溫度為25 ℃時做負載突變仿真對比研究,電阻Ro由10 Ω在0.2 s突變到15 Ω，模擬器采用普通模糊控制算法和提出的新模糊PID控制算法進行的對比分析。從實驗的仿真結果波形來看，相比較普通模糊控制算法的控制效果，本文所采用的新模糊PID控制算法控制效果更為理想。它結合了模糊控制算法和PID控制算法二者的優勢，輸出特性在負載發生突變或外界環境條件發生改變后能重新追蹤到系統的工作點并保持穩定工作狀態時間更短，前者需要0.3 s，而新算法僅需要0.24 s，而且新算法系統穩態誤差小，帶來的振蕩更小。模擬器系統的輸出電壓電流的相對誤差更小，從而可以更好地實現光伏電池模擬器作為實驗電源的要求。具體仿真結果如圖14、圖15所示。

圖14 普通模糊控制算法下輸出電流追蹤仿真波形

圖15 新模糊PID控制算法下輸出電流追蹤

4 結 語

本文主要研究基于一種具有高功率因素校正功能的BOOST型變換器，并采用新模糊PID算法控制的光伏電池模擬器。功率主電路采用的是結構簡單、成本低、效率高的單級BOOST型高功率因數校正AC/DC倍流整流拓撲結構。從實驗結果來看，本文提出的主電路結構實現了輸入功率因數的校正及實現模擬光伏電輸出I-V曲線的功能，采用的模糊PID控制算法具有快速追蹤系統工作點、穩態誤差小、輸出電壓電流紋波小等較出色的控制性能，基本達到預期的控制效果，可以較好地作為實驗室光伏發電研究的實驗用電源。

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RESEARCHANDAPPLICATIONOFFUZZYPIDCONTROLTECHNOLOGYINDESIGNOFSINGLEHIGHPFCTOPOLOGYPHOTOVOLTAICSIMULATOR

Meng Zhiqiang1Zhang Kai1Zhou Huaan2Shao Wu1
1(CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,Hunan,China)2(CollegeofMechanicalandVehicleEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,Hunan,China)

In this paper, a single high PFC topological photovoltaic cell simulator based on fuzzy-PID control is studied. Through this converter topology can simultaneously achieve high power factor correction, as well as the actual PV cell output I-V characteristic curve tracking simulation. The simulation analysis and research for the designed simulator system are carried out by using Psim and Matlab/Simulink joint simulation. The simulation results show that the simulator system and its control algorithm have fast response speed and high control precision both under the static condition and the external condition dynamic transformation. At last, compared with the ordinary fuzzy control, the proposed algorithm has better adaptability.

Photovoltaic simulator Power factor correction Boost converter Fuzzy PID Matlab/Simulink Psim

2016-07-01。國家自然科學基金項目(51377049)。孟志強，教授，主研領域：電力電子變換控制與應用技術，工業過程自動化與測控系統。張凱，碩士生。周華安，高工。邵武，博士生。

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.08.015