基于自整定Fuzzy_PI控制的电流跟踪型光伏并网逆变器_胡晓青

第 34 卷 第 6 期2013 年 6 月太 阳 能 学 报ACTA ENEＲ GIAE SOLAＲ IS SINICAVol. 34， No． 6June， 2013收稿日期 2011-06-15基金项目 上海市教委 “ 085 工程 ” 科研项目 （ C-8209-11-122） ； 上海市科委高校能力建设项目 （ 11510500800 ） ； 上海市教委重点学科建设项目 （ J51301）通讯作者 程启明 （ 1965 ） ， 男 ， 硕士 、 教授 ， 主要从事电力系统自动化 、 新能源发电控制等方面的研究 。 chengqimingsina ．com文章编号 0254-0096（ 2013） 06-0959-08基于自整定 Fuzzy- PI 控制的电流跟踪型光伏并网逆变器胡晓青 ， 程启明 ， 王映斐 ， 汪明媚（ 上海电力学院电力与自动化工程学院 ， 上海 200090）摘 要 介绍了一种单极性并网逆变器 ， 相对于双极性并网逆变器具有损耗低 、 谐波小 、 电磁干扰小的优势 ， 更适用于并网逆变控制 。 首先对 DC/DC 变换器进行建模 ， 随后提出一种将模糊自整定控制理论融合 PID 控制规律之中的自整定 Fuzzy-PI 控制策略 ， 将太阳电池板产生的直流电逆变为 220V /50Hz 的正弦交流电提供给电网 ， 最后建立了基于 Fuzzy自整定 PI 控制的电流跟踪型光伏并网逆变器完整的 Matlab 仿真模型 。 仿真结果表明 ， 基于该方法生成的 PWM 控制信号较之传统 PID 控制等可有效减小跟踪误差 ， 并迅速跟踪目标并网电流波形 ， 从而提高系统的动态响应性能 。关键词 光伏系统 ； 并网算法 ； 自整定 PID 控制 ； 模糊控制中图分类号 TM615 文献标识码 A0 引 言随着光伏并网发电成本的持续降低 ， 光伏发电最终将实现并网运行 ， 今后交流光伏供电系统必将成为光伏发电的主流 。 随着光伏并网发电技术的应用越来越广泛 ， 研究并优化其逆变方式和并网算法将具有很大的现实意义 ［ 1］ 。光伏逆变电源的主电路拓扑结构如图 1 所示 。图中 ， 光伏阵列输出的较低电压需通过前级 DC /DC升压电路提高到并网逆变器所需 400V 直流母线电压 ［ 2］ 。 然后经过 DC/AC 逆变器得到 220V/50Hz 交流电 ， 从而保证并网电流与电网电压的同频同相 。图 1 光伏并网发电系统框图Fig ． 1 The block diagram of grid-connected PV system光伏发电系统是一个多变量 、 非线性 、 时变的系统 ， 仅由常规 PID 或模糊 （ Fuzzy） 控制调节器进行控制 ， 由于其对于静态与动态性能之间的矛盾 、 跟踪设定值与抑制扰动之间的矛盾 、 鲁棒性和控制性能之间的矛盾等都未能很好地解决 ［ 3］ 其中 ， 常规 PID调节器不具备在线整定参数的功能 ， 致使其不能满足系统在不同偏差对 PID 参数自整定的要求 ， 从而影响其控制性能的进一步提高 ， 而参数一旦整定好 ，就固定不变 ， 对扰动敏感 ， 抑制外扰能力减弱 ， 很难保证系统在变工况前后都具有良好的控制品质 ； 而在普通的 Fuzzy 控制系统中 ， 考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性 ， 通常采用二维模糊控制器的太 阳 能 学 报 34 卷结构形式 。 由线性控制理论可知 ［ 4］ ， 采用该类 Fuzzy控制器的系统有可能获得良好的动态特性 ， 但无法消除静态误差 。为了克服常规 PID 控制和 Fuzzy 控制的缺陷 、提高系统的性能 ， 本文将具有一定智能的 Fuzzy 推理应用到 PID 参数自整定中 ， 即在常规 PID 调节器的基础上 ， 根据系统的运行状态 ， 自整定 PID 参数的控制参数 Kp 、 K i ， 构成 Fuzzy自整定 PI 参数控制器 ，使系统能获得更好的性能 。1 单极倍频式 SPWM 控制及采样方法逆变器作为太阳电池阵列与交流配电系统间进行能量变换的中间环节 ， 其安全性 、 可靠性 、 逆变效率 、 制造成本等因素 ， 对光伏发电系统的整体经济效益具有重要作用 。 因此 ， 高质量逆变电源已成为电源技术的重要研究对象 。1． 1 SPWM 的原理对于全桥电路 4 个 开 关 元 器 件 的 控 制 ， 采 用SPWM 控制 ， SPWM 波形是指脉冲的宽度按照正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形 ， PWM 技术的重要理论是等效面积原理 ， 即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节时 ， 其效果基本相同 ， 如果通过控制 4 个开关元器件 ， 输出宽度按一定规律变化的 PWM 波形 ， 那么经过 LC 滤波后能获得接近正弦波的电压波形 。1． 2 SPWM 的调制方法选择SPWM 分为单极式 、 双极式两种控制方式 ， 两种控制方式的调制方法相同 ， 输出基本电压的大小和频率都通过改变正弦参考信号的幅值和频率而改变 ， 只是功率开关器件通断情况不同 。 其中双极式控制时逆变器同一桥臂上下两个开关器件交替通断 ， 处于互补工作方式 。 双极式调制输出的电流变化率较大 ， 外界干扰较强 ； 单级式与双极式相比 ， 具有损耗低 、 电磁干扰小 、 开关谐波小等优点 ［ 5］ 。 采用单极式控制时 ， 正弦波的半个周期内每相只有一个开关元器件开通或关断 ， 本文采用单极式调制方式 。单相桥式 SPWM 逆变电源采用单极式倍频调制方式时输出的 SPWM 波形如图 2 所示 ， 它是采用2 个相位相反而幅值相等的三角波与一正弦波相比较 ， 可看作将三角载波进行全波整流 （ 将虚线三角波沿 X 轴往上翻 ） ， 再由正弦波进行调制 ， 得到 2 个二阶 SPWM 波 ， 使 2 个二阶 SPWM 波相减 ， 可得到三阶 SPWM 波 ， 即在调制波正半周 ， 三阶 SPWM 波主要由 Ug1 和 Ug3 相减得到 ， 在调制波的负半周 ， 三阶 SPWM 波主要由 Ug2 和 Ug4 相减得到 。 由图 2 可知 ， 三阶 SPWM 的频率为开关管频率的 2 倍 ， 即与双极性调制 SPWM 波相比 ， 单极性调制 SPWM 波频率提高了 1 倍 ， 而单管的开关频率和单极性调制不变 ， 因此单个开关管损耗不变 。图 2 单极性倍频式 SPWM 控制波形Fig ． 2 Unipolar SPWM control waveformsof double frequency2 DC /DC 变换器在光 伏 并 网 发 电 系 统 中 最 大 功 率 点 跟 踪（ MPPT） 是通过一定控制算法在 DC/DC 变换电路部分实现的 ， 因此将 DC /DC 电路称为实现 MPPT 的主拓扑电路 。 本文采用 Cuk 转换器 ， 其基本电路如图 3 所示 ， 其中开关元件为 IGBT。 克服了 Buck、Boost 和 Buck- Boost电路的缺点 ， 又同时保留了它们的优点 ［ 6］ 。 其特点有 ① 输入 、 输出都没有脉动 ， 基本平直 ， 只在直流成份基础上附加一个较小开关纹图 3 Cuk 电路图Fig ． 3 Cuk circuit0696 期 胡晓青等 基于自整定 Fuzzy-PI 控制的电流跟踪型光伏并网逆变器波 ； ② 电压变比可在零到无穷大之间变化 ； ③ 开关晶体管发射极接地 ， 驱动电路简单 。 Cuk 变换器的优势就在于用最少的元件获得最理想的稳态性能 ， 因此有文献称之为最佳拓扑变换器 。当 V 处于通态时 ， E-L1 -V 回路和 Ｒ -L2-C-V 回路分别流过电流 。 当 V 处于断态时 ， E-L1-C-VD 回路和 Ｒ -L2 -VD 回路分别流过电流 。 输出的极性与电源电压极性相反 ， 相当于存在一个开关在 A、 B 两点之间交替切换 ， 稳态时电容 C 的电流在一周内的平均值应为零 ， 其对时间的积分为零 ［ 7］ ， 即 ∫T0i Cdt 0 （ 1）V 处于通态的时间为 ton ， 则电容电流和时间的乘积为 I 2t on， V 处于断态时间为 toff ， 则电容电流和时间的乘积为 I 1 toff 。 由此可得 I 2t on I 1 toff （ 2）从而 I 2I 1 t offt on T － t onton 1 － αα （ 3）式中 ， α 占空比 。当电容 C 很大使电容电压 UC 的脉动足够小时 ， 输出电压 Uo 与输入电压 E 的关系 ， 其计算方法为 ［ 8 ， 9］ 当 V 处于通态时 ， B 点电压 uB 0， A 点电压uA － u C； 相反 ， 当 V 处于断态时 ， uB u C， u A 0。故 B 点电压 uB 的平均值为 UB toffT UC（ UC 为电容电压平均值 ） ， 由于电感 L1 的电压平均值为零 ， 所以 ，E UB t offT UC ， 且 A 点 的 电 压 平 均 值 为 UA － tonT UC， 又 由 于 L2 的 电 压 平 均 值 为 零 ， 有 Uo tonT UC， 于是可得出输出电压 Uo 与电源电压 E 的关系为 ［ 2］ Uo t ontoffE tonT － tonE α1 － α E （ 4）3 基于自整定 Fuzzy- PI 控制器的算法与结构3． 1 数学模型及 PI 控制器参数的初步整定在并网逆变器的输出 电 路 中 ， 取 电 网 电 流 为I net ， 电网电压为 Unet ， 逆变桥输出电压为 Ua， 设 TPWM为小时间常数 ， 当饱和限幅为 Lmt1 时 ， 可得并网逆变器增益比 KPWM Ud /Lmt1［ 10］ ， 其值与 PI 调节器的最大限幅有关 。 闭环控制系统的控制原理见图 4。图 4 闭环控制系统原理图Fig ． 4 Closedloop control system schematic则有 L dI netdt Ua － Unet － I net Ｒ L （ 5）式 （ 5） 拉氏变换后 ， 可得 I net （ s） 1Ls ＲL［ Ua（ s） － Unet （ s） ］ G1 （ s） ［ Ua － Unet （ s） ］ （ 6）式中 ， G1 （ s） 滤波环节的传递函数 。 设功率开关为理想开关 ， 全桥逆变环节在 SPWM 控制方式下的传递函数可近似为小惯性环节 ［ 11， 12］ ， 即为 G2 （ s） KPWM /（ TPWM s 1） （ 7）假设系统中不加 PI 调节器时 ， 闭环系统的传递函数为 W（ s） G1 （ s） G2 （ s） aK PWM 1ＲL（ TPWM s 1） 1ＲLs 1（ 8）设 PI 控制器的传递函数为 G3 （ s） （ Kp s Ki ） /s （ 9）令 Kp / Ki L / Ｒ L， 可得闭环控制系统的开环传169太 阳 能 学 报 34 卷递函数为 G3（ s） W（ s） aK PWM 1ＲLKpKi 11Ki s（ T PWM s 1）LＲ Ls 1（ 10）由于 TPWM 1 /2 Ｒ L / （ aK PWM K i ） ， 因此 PI 控制器的参数整定为 Kp L2aKPWM TPWM， Ki Ｒ L2aKPWM TPWM（ 11）3． 2 基于 Fuzzy 控制的电流跟踪型光伏并网逆变器本文取目标函数为光伏并网逆变器的输出电流 ， 可控量为用来控制 PWM 发生器的调制信号 ， 偏差 E、 偏差变化量 Ec 作为二维模糊控制器的输入变量 ， PI 控制器的比例系数和积分系数变化量 Δ Kp、Δ Ki 作为输出变量 。 4 个变量模糊集都定义为 ｛ NB，NM， NS， O， PS， PM， PB｝ ［ 13］ ， 且 4 个变量的论域均定义为 ｛ － 6， － 5， － 4， － 3， － 2， － 1， 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6｝ 。输入变量实际波形与指令值的偏差 E 与偏差变化值 Ec 的隶属函数及输出变量 Δ Kp 与 Δ Ki 的隶属函数如图 5、 图 6 所示 。图 5 输入变量 E 与 Ec 的隶属函数Fig ． 5 Input variables membership functions of E and Ec图 6 输出变量 Δ Kp 与 Δ Ki 的隶属函数Fig ． 6 Output variables membershipfunctions of Δ Kp and Δ Ki参数的整定必须考虑在不同时刻两个参数的作用以及相互之间的互联关系 。 根据系统控制过程中各不同阶段对过渡过程的要求以及操作者的经验 ，对 Δ K p、 Δ Ki 整定建立模糊控制规则表 （ 表 1、 表 2） 。表 1 Δ Kp 的模糊控制规则Table 1 The fuzzy control rules of Δ KpΔ KpEcNB NM NS 0 PS PM PBEPB 0 PM PM PB PB PB PBPM 0 PS PS PM PM PM PBPS PS 0 0 PS PS PM PM0 PS PS 0 0 0 PS PSNS PM PM PS PS 0 0 PSNM PB PM PM PM PS PS 0NB PB PB PB PB PM PM 0表 2 Δ Ki 的模糊控制规则Table 2 The fuzzy control rules of Δ KiΔ KiEcNB NM NS 0 PS PM PBEPB PS PS PS PM PS PS 0PM PM PM PM PM PM PS PSPS PB PM PM PB PB PM PM0 PB PB PB PB PB PB PBNS PM PM PB PB PM PM PBNM PS PS PM PM PM PM PMNB 0 PS PS PS PS PS PS在得到输出变量的隶属度后 ， 采用加权平均值法对输出进行解模糊处理 。3． 3 自整定 Fuzzy- PI 控制器的结构自整定 Fuzzy-PI 控制的思想是传统 PI 控制和Fuzzy 控 制 两 者 的 优 点 ［ 7 ， 14］ ， 使 控 制 系 统 既 具 有Fuzzy控制的强适应性又具有 PI 控制精度高的特点 。 系统首先通过计算偏差 E 及其变化量 Ec 作为模糊自整定控制器的两路输入 ， 建立模糊规则对输入作合理的逻辑推断 ， 然后通过反模糊输出控制变量 。 自整定 Fuzzy-PID 控制器以误差 e 和误差变化率 ec 作为输入 ， 可满足不同时刻以 e 和 ec 对 PID 参数自整定的要求 。 利用 Fuzzy 控制规则在线对 PID参数进行修改 ， 其结构由常规 PID 控制和 Fuzzy 推理的参数校正两部分组成 ， 自整定 Fuzzy-PI 控制器结构框图如图 7 所示 。2696 期 胡晓青等 基于自整定 Fuzzy-PI 控制的电流跟踪型光伏并网逆变器图 7 自整定 Fuzzy-PI 控制系统结构Fig ．7 Self-tuning Fuzzy-PI control system structure将参考电流 i * 与并网瞬时电流 i 进行比较 ， 两者的偏差值 Δ i 经过自整定 Fuzzy-PI 调节与三角载波进行比较 ， 然后输出对应的 PWM 驱动信号实现控制 ［ 15］ 。 该策略以三角波作为载波 ， 以电流误差值调节信号作为调制信号 。 采用简单易实现固定的开关频率算法 ， 因而使网侧滤波电路设计简单 ， 并降低了功率器件的开关损耗 。 由于该策略是通过闭环来控制并网电流 ， 不仅优化了光伏并网发电系统电流的动 、 静态性能 ， 同时也减少了谐波 。3． 4 自整定 Fuzzy- PI 控制器的设计步骤及工作流程自整定 Fuzzy-PI 控制器设计步骤为 ① 建立被控对象的模型 ， 先测定被控对象参数的粗略值 ， 应用初值整定规则确定 PID 参数的初始值 ； ② 根据在控制过程中 PID 参数的整定规则 ， 通过 Matlab 仿真调试 ， 可得到针对分别整定的模糊规则表 ； ③ 由控制规则表与相应的隶属度函数相结合得到相应决策表 ； ④ 将设计好的控制器结合实际对象对控制表进行微调 ， 查出修正参数并带入式 （ 12） 计算 K p Kp Δ KpKi Ki Δ Ki （ 12）PID 参数模糊自整定是在 PID 算法基础上 ， 首先通过从系统的稳定性 、 响应速度 、 超调量和稳态精度等各方面找出 PID 参数 ， 分析 PID 参数对系统输出特性的影响 ， 建立 PID 参数与误差 e 和误差变化率 ec 之间的模糊关系 。 在系统中不断检测 e 和 ec ，再根据 Fuzzy 控制规则进行 Fuzzy推理 ， 查询 Fuzzy矩阵表对 PID 参数进行在线调整 ， 以满足不同 e 和 ec时对 PID 参数的自整定要求 ， 从而使被控对象具有良好的动静态性能 。 当系统误差 e 很小 ， Fuzzy控制器的输出近似等于零 ， 系统主要由 PI 调节器进行控制 。在线运行过程中 ， 控制系统通过对 Fuzzy逻辑规则的结果处理 、 查表和运算 ， 完成对 PI 参数的在线自整定使控制器达到最优 。 其工作流程图如图 8 所示 。图 8 自整定 Fuzzy-PI 控制流程图Fig ．8 Self-tuning Fuzzy-PI control flow chart4 自整定 Fuzzy- PI 光伏并网逆变器的控制仿真根据数学模型 ， 调用 Matlab 中 SimPowerSystem工具箱相关模块 ， 搭建单相光伏并网发电系统 ， 并对该系统进行动态仿真 。 本文光伏并网发电系统的装机功率为 10． 8kW ， 为观察方便可取参考电流最大值为 105A。 电 网 电 压 有 效 值 为 220V， 滤 波 电 感 为0. 004H、 滤波电容 1 10 － 6F， 负载电阻 Ｒ L 2Ω ， a 45， 计算得 TPWM 100μ s， KPWM 15， 直流侧电压取400V， 并根据式 （ 7） 计算可得出 Ki 14． 8、 Kp 0． 03。自整定 Fuzzy-PI 闭环并网控制系统仿真结构如图 9 所示 ， 传统 PID 控制的并网电压 V 和输出电流 i的波形对比如图 10 所示 ， 自整定 Fuzzy-PI 控制的并网电压 V 和输出电流 i 的波形对比如图 11 所示 。369太 阳 能 学 报 34 卷图 9 Fuzzy自整定 PI 控制的闭环光伏并网控制系统仿真结构Fig ． 9 Fuzzy self-tuning PI- basedclosed-loop control of photovoltaic grid structure of control system simulatio图 10 传统 PID 控制的并网电压和输出电流的波形Fig ． 10 Grid voltage and output current waveformscontroled by traditional PID从仿真结果可知 ， 基于自整定 Fuzzy-PI 控制的光伏并网逆变系统的并网电流 、 电压正弦波波形质量好 ， 完全能实现与电网电压同频同相 。 相比于传统 PID 控制 ， 自整定 Fuzzy-PI 控制的输出波形能更快速地跟踪目标并网电流波形 ， 具有更好的稳态和动态特性 ， 且并网逆变器的输出电压电流相位差比使用传统 PID 控制时要小得多 ， 能有效减小跟踪误差 。图 11 自整定 Fuzzy-PI 控制的并网电压和输出电流的波形Fig ．11 Grid voltage and output current waveformscontroled by self-tuning Fuzzy-PI5 结 论本文针对太阳能光伏发电并网逆变技术的核心 ， 分析传统 PID 以及模糊控制方法的局限性 ， 采用将自整定控制策略融合进模糊 PID 之中的新的控制策略 ， 能够自动辨识 、 自动整定被控过程参数 。 通过对光伏并网逆变器输出电流的跟踪控制 ， 提高了电流的跟踪精度 ， 并减少了谐波含量 ， 鲁棒性强 、 可靠4696 期 胡晓青等 基于自整定 Fuzzy-PI 控制的电流跟踪型光伏并网逆变器性高 ， 使光伏逆变并网可更有效 、 安全地进行 。［ 参考文献 ］［ 1］ BoseB K． Energy， environment， and advaneesin power［ J］ ． IEEE Transactions on Power Electronics， 2010，15（ 4） 688 701．［ 2］ 王斯成 ， 余世杰 ， 王德林 ， 等 ． 3kW 可调度型并网逆变 器 的 研 制 ［ J］ ． 太 阳 能 学 报 ， 2010， 22 （ 1） 17 20．［ 2］ WangSicheng， Yu Shijie， WangDelin， et al ． Developmentof a 3kW dispatching grid-connected inverter［ J］ ． ActaEnergiaeSolaris Sinica， 2010， 22（ 1） 17 20．［ 3］ 武 健 ， 徐殿国 ． 并联有源滤波器输出 LCL 滤波器研究 ［ J］ ． 电力自动化设备 ， 2007， 27（ 1） 56 61．［ 3］ Wu Jian， Xu Dianguo ． Ｒ 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comparing with bipolar inverter， more suitable for on-gridinverter control. Firstly， the DC/DC converter was modeled， then self-tuning Fuzzy-PI control strategy was putforward， which integrating fuzzy self-tuning control theory with PID control law ， the direct current produced bysolar panels was inverted into the sinusoidal AC 220V /50Hz to provide to the grid. Finally ， Matlab simulationmodel for current tracking PV inverter was completed based on the Fuzzy self-tuning PI control. The results showthat the generatedPWM control signal based on the method can effectively reduce the tracking error of traditionalPID control and quickly track the target and net current waveformto improve the system’ s dynamic response.Keywords PV system； on-grid algorithms； self-tuning PID control； fuzzy control669