PI參數(shù)自整定模糊光伏并網(wǎng)控制

陳拉拉，　王　蔚

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長春　130012)

0　引　言

受到環(huán)境污染和化石能源有限性的制約，開發(fā)利用新能源逐漸受到世界各國的廣泛關(guān)注[1]。在光伏發(fā)電過程中，逆變控制作為重要的一環(huán)，其控制的好壞直接影響發(fā)電的質(zhì)量。常見的控制方式有比例積分(PI)控制、比例諧振(PR)控制、重復(fù)控制和模糊控制等[2-3]。比例積分控制簡單，動態(tài)響應(yīng)迅速，但存在穩(wěn)態(tài)誤差；比例諧振控制在基波頻率處具有高增益，可以減小并網(wǎng)電流穩(wěn)態(tài)誤差；重復(fù)控制可改善系統(tǒng)靜態(tài)特性，缺點是動態(tài)響應(yīng)較差；模糊控制不需要精確的系統(tǒng)模型，適合非線性系統(tǒng)調(diào)節(jié)。當(dāng)電網(wǎng)含有諧波時，傳統(tǒng)PI控制誤差較大，通過將模糊控制和傳統(tǒng)PI控制相結(jié)合，構(gòu)成PI參數(shù)自整定模糊控制器，把采樣誤差送模糊控制器處理，通過對PI參數(shù)實時修改，進一步減小并網(wǎng)電流的誤差。

1　系統(tǒng)原理及dq坐標(biāo)系下解耦

1.1　系統(tǒng)原理

三相逆變光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制原理圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)控制原理圖

圖中，濾波器為一階L濾波，輸出接本地負載和電網(wǎng)。通過坐標(biāo)變換，將系統(tǒng)從三相自然坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，可直接控制逆變器有功和無功電流，采用PI控制即可實現(xiàn)并網(wǎng)電流基波無靜差調(diào)節(jié)[4]。電壓外環(huán)產(chǎn)生有功電流給定值Idref和經(jīng)坐標(biāo)變換采樣的有功電流實際值作差，誤差送PI調(diào)節(jié)器；為實現(xiàn)高功率因數(shù)并網(wǎng)，將無功電流給定值Iqref設(shè)為零，同樣和采樣的實際無功電流作差，誤差送PI調(diào)節(jié)器；當(dāng)電網(wǎng)為理想狀態(tài)時，PI調(diào)節(jié)即可達到理想的并網(wǎng)效果，但現(xiàn)實電網(wǎng)多存在擾動，普通PI存在局限性，在本系統(tǒng)中，用PI參數(shù)自整定模糊控制器代替常規(guī)的PI控制器，在PI控制的基礎(chǔ)上，通過模糊控制對比例、積分參數(shù)實時修改，參數(shù)修改后的PI控制器輸出控制量經(jīng)過解耦控制和坐標(biāo)變換，最后經(jīng)SVPWM[5]模塊產(chǎn)生控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路送入逆變器，進行并網(wǎng)逆變控制。

1.2　dq坐標(biāo)下解耦

dq坐標(biāo)下三相并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型為

(1)

由于d軸中存在iq分量，q軸中存在id分量，兩者耦合，這會加大設(shè)計電流調(diào)節(jié)器難度，需要對兩者解耦，把式(1)變?yōu)?

(2)

令：

(3)

將式(3)代入式(2)：

(4)

(5)

式中：Δud，Δuq----PI調(diào)節(jié)器d軸和q軸分量的輸出；

τpi----積分時間常數(shù)；

可得控制變量ud和uq的控制方程為：

(6)

通過以上推導(dǎo)，借助引入電流狀態(tài)反饋，實現(xiàn)dq解耦，方便環(huán)路設(shè)計。

2　PI參數(shù)自整定模糊控制器設(shè)計

傳統(tǒng)PI控制器的比例和積分參數(shù)是固定的，當(dāng)電網(wǎng)擾動較大，其控制誤差偏大。文中所設(shè)計的PI參數(shù)自整定控制器在PI控制的基礎(chǔ)上，通過模糊控制器對比例和積分參數(shù)進行實時修改，從而減小跟蹤誤差，提高并網(wǎng)電流質(zhì)量。

2.1　模糊控制器結(jié)構(gòu)原理設(shè)計

PI參數(shù)自整定模糊控制器如圖2所示。

圖2PI參數(shù)自整定模糊控制

PI參數(shù)自整定模糊控制器原理為：采樣獲得并網(wǎng)電流給定值和實際值比較作差，誤差e送PI控制器；誤差變化率de/dt和誤差e分別乘以系數(shù)Kc和Ke送模糊控制器，通過每個采樣周期的采樣數(shù)據(jù)，模糊控制器產(chǎn)生比例和積分系數(shù)修正量ΔKp和ΔKi分別乘以系數(shù)K送入PI控制器，進行在線修改[7]，一個采樣周期后的Kp值為：

Kp1=Kp0+ΔKp*K

最后,PI控制器輸出信號經(jīng)PWM調(diào)制后通過驅(qū)動電路進行逆變控制。

2.2　模糊控制規(guī)則

模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心，通過對輸入、輸出變量詞集的編輯來決定控制器的控制精度。文中模糊控制器為雙輸入、雙輸出結(jié)構(gòu)，即誤差e和誤差變化率de/dt作為輸入，比例系數(shù)修正量ΔKp和積分系數(shù)修正量ΔKi作為輸出。詞集包含7個詞匯：分別是[負大，負中，負小，零，正小，正中，正大]，即[NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB]，控制器的4個變量都采用這個結(jié)構(gòu)。

確定詞匯集后可進行隸屬度函數(shù)編輯，具體操作在Matlab中的模糊邏輯工具箱實現(xiàn)。文中詞匯集含有7個詞匯，故需要編輯7個隸屬度函數(shù)，4個變量的論域均為[-6,6]，以其中一個為例，隸屬度函數(shù)見表1。

表1　隸屬度函數(shù)

通過分析PI參數(shù)對系統(tǒng)控制精度的影響，建立誤差e和誤差變化率Δe/Δt對比例系數(shù)修正量ΔKp和積分系數(shù)修正量ΔKi的模糊規(guī)則，見表2。

表2　ΔKp和ΔKi模糊控制規(guī)則

以上規(guī)則可在Matlab中的模糊邏輯工具箱中，通過規(guī)則編輯器以If…Then的形式進行模糊規(guī)則編輯。

2.3　解模糊化設(shè)計

解模糊化就是將模糊控制器產(chǎn)生的模糊量轉(zhuǎn)化為參與控制的精確量，文中采用加權(quán)平均法解模糊，具體可在Matlab的模糊邏輯工具箱中選擇需要的方法，算法如下：

3　重復(fù)補償PI控制器

重復(fù)補償PI控制器如圖3所示。

圖3重復(fù)補償PI控制器

由圖3可以看出，送入被控對象的控制量除了誤差e的PI整定量，還疊加了一個上一周期的誤差，通過把上個采樣周期的誤差和當(dāng)前采樣的誤差經(jīng)處理后一起送被控對象，將這種方式叫做重復(fù)控制。其中Q(s)為低通濾波器，一般Q(s)=1/(1+TqS)。

4　仿真驗證

借助Simulink工具箱進行仿真系統(tǒng)搭建,如圖4所示。

由圖4可以看出，通過加入諧波源驗證在電網(wǎng)擾動的情況下，將傳統(tǒng)PI控制、重復(fù)補償PI控制和PI參數(shù)自整定模糊控制三種方法作比較。系統(tǒng)仿真設(shè)置如下，光伏陣列輸出電壓370 V，經(jīng)Boost電路升壓至700 V供逆變橋；濾波電感L=3 mH，R=0.01 Ω；交流側(cè)三相電壓有效值220 V，頻率50 Hz；諧波源設(shè)置為3次諧波電壓幅值30 V，5次諧波電壓幅值25 V；模糊控制器參數(shù)Ke=Kc=3，K=0.1；PI控制器初始值Kp=20，Ki=10；仿真時間設(shè)置為0.3 s；調(diào)制方式為SVPWM[8]。通過仿真分別得出3種控制方式下的并網(wǎng)電流和并網(wǎng)電流諧波分析。

傳統(tǒng)PI控制、重復(fù)補償PI控制和PI參數(shù)自整定模糊控制分別如圖5～圖7所示。

圖5　傳統(tǒng)PI控制

圖6　重復(fù)補償PI控制

圖7　PI參數(shù)自整定模糊控制

從圖5～圖7可以看出，當(dāng)電網(wǎng)含有諧波時，傳統(tǒng)PI控制、重復(fù)補償PI控制和PI參數(shù)自整定模糊控制電流總諧波畸變率分別為4.78%、4.54%和3.73%，而且傳統(tǒng)PI控制和重復(fù)補償PI控制的3次、5次諧波含量明顯高于PI參數(shù)自整定模糊控制，所以PI參數(shù)自整定模糊控制的整體控制效果要優(yōu)于其他兩種。通過仿真表明，文中所提出的控制策略相比傳統(tǒng)PI控制和重復(fù)補償PI控制在電網(wǎng)擾動情況下具有一定的優(yōu)越性。

5　結(jié)　語

借助Simulink工具箱設(shè)計了PI參數(shù)自整定模糊控制器，當(dāng)電網(wǎng)存在諧波時，對傳統(tǒng)PI控制、重復(fù)補償PI控制和PI參數(shù)自整定模糊控制三種方法進行了對比，仿真結(jié)果表明，當(dāng)電網(wǎng)含有一定3次、5次諧波時，采用PI參數(shù)自整定模糊控制的系統(tǒng)，整體控制效果優(yōu)于其他兩種控制方式，驗證了所提控制策略的可行性。

參考文獻：

[1]曾正，趙榮祥，湯勝清，等.可再生能源分散接入用先進并網(wǎng)逆變器研究綜述[J].中國電機工程學(xué)報，2013，33(24)：1-12.

[2]滕國飛，肖國春，張志波，等.采用重復(fù)控制的LCL型并網(wǎng)逆變器閉環(huán)電流控制[J].中國電機工程學(xué)報，2013，33(24)：13-21.

[3]顧和榮，王德玉，沈虹，等.三相四橋臂逆變器控制技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2012，39(24)：41-46.

[4]阮新波，王學(xué)華.LCL型并網(wǎng)逆變器的控制技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社，2015.

[5]李波，安群濤，孫兵成.空間矢量脈寬調(diào)制的仿真研究及實現(xiàn)[J].電機與控制應(yīng)用，2006，33(6)：40-44.

[6]朱曉亮.基于電網(wǎng)電壓定向三相并網(wǎng)逆變器的研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

[7]杜佳妮.基于自適應(yīng)模糊控制的并網(wǎng)逆變器控制策略分析與研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[8]郁琰.基于SVPWM的交流調(diào)速系統(tǒng)仿真[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，33(6)：667-671.