PI参数自整定模糊光伏并网控制

2018-04-17陈拉拉

长春工业大学学报 2018年1期

陈拉拉，　王　蔚

(长春工业大学电气与电子工程学院，吉林长春　130012)

0　引　言

受到环境污染和化石能源有限性的制约，开发利用新能源逐渐受到世界各国的广泛关注[1]。在光伏发电过程中，逆变控制作为重要的一环，其控制的好坏直接影响发电的质量。常见的控制方式有比例积分(PI)控制、比例谐振(PR)控制、重复控制和模糊控制等[2-3]。比例积分控制简单，动态响应迅速，但存在稳态误差；比例谐振控制在基波频率处具有高增益，可以减小并网电流稳态误差；重复控制可改善系统静态特性，缺点是动态响应较差；模糊控制不需要精确的系统模型，适合非线性系统调节。当电网含有谐波时，传统PI控制误差较大，通过将模糊控制和传统PI控制相结合，构成PI参数自整定模糊控制器，把采样误差送模糊控制器处理，通过对PI参数实时修改，进一步减小并网电流的误差。

1　系统原理及dq坐标系下解耦

1.1　系统原理

三相逆变光伏并网系统控制原理图如图1所示。

图1系统控制原理图

图中，滤波器为一阶L滤波，输出接本地负载和电网。通过坐标变换，将系统从三相自然坐标转换到两相旋转坐标，可直接控制逆变器有功和无功电流，采用PI控制即可实现并网电流基波无静差调节[4]。电压外环产生有功电流给定值Idref和经坐标变换采样的有功电流实际值作差，误差送PI调节器；为实现高功率因数并网，将无功电流给定值Iqref设为零，同样和采样的实际无功电流作差，误差送PI调节器；当电网为理想状态时，PI调节即可达到理想的并网效果，但现实电网多存在扰动，普通PI存在局限性，在本系统中，用PI参数自整定模糊控制器代替常规的PI控制器，在PI控制的基础上，通过模糊控制对比例、积分参数实时修改，参数修改后的PI控制器输出控制量经过解耦控制和坐标变换，最后经SVPWM[5]模块产生控制信号，经驱动电路送入逆变器，进行并网逆变控制。

1.2　dq坐标下解耦

dq坐标下三相并网逆变器的数学模型为

(1)

由于d轴中存在iq分量，q轴中存在id分量，两者耦合，这会加大设计电流调节器难度，需要对两者解耦，把式(1)变为:

(2)

令：

(3)

将式(3)代入式(2)：

(4)

(5)

式中：Δud，Δuq----PI调节器d轴和q轴分量的输出；

τpi----积分时间常数；

可得控制变量ud和uq的控制方程为：

(6)

通过以上推导，借助引入电流状态反馈，实现dq解耦，方便环路设计。

2　PI参数自整定模糊控制器设计

传统PI控制器的比例和积分参数是固定的，当电网扰动较大，其控制误差偏大。文中所设计的PI参数自整定控制器在PI控制的基础上，通过模糊控制器对比例和积分参数进行实时修改，从而减小跟踪误差，提高并网电流质量。

2.1　模糊控制器结构原理设计

PI参数自整定模糊控制器如图2所示。

图2PI参数自整定模糊控制

PI参数自整定模糊控制器原理为：采样获得并网电流给定值和实际值比较作差，误差e送PI控制器；误差变化率de/dt和误差e分别乘以系数Kc和Ke送模糊控制器，通过每个采样周期的采样数据，模糊控制器产生比例和积分系数修正量ΔKp和ΔKi分别乘以系数K送入PI控制器，进行在线修改[7]，一个采样周期后的Kp值为：

Kp1=Kp0+ΔKp*K

最后,PI控制器输出信号经PWM调制后通过驱动电路进行逆变控制。

2.2　模糊控制规则

模糊控制规则是模糊控制器的核心，通过对输入、输出变量词集的编辑来决定控制器的控制精度。文中模糊控制器为双输入、双输出结构，即误差e和误差变化率de/dt作为输入，比例系数修正量ΔKp和积分系数修正量ΔKi作为输出。词集包含7个词汇：分别是[负大，负中，负小，零，正小，正中，正大]，即[NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB]，控制器的4个变量都采用这个结构。

确定词汇集后可进行隶属度函数编辑，具体操作在Matlab中的模糊逻辑工具箱实现。文中词汇集含有7个词汇，故需要编辑7个隶属度函数，4个变量的论域均为[-6,6]，以其中一个为例，隶属度函数见表1。

表1　隶属度函数

通过分析PI参数对系统控制精度的影响，建立误差e和误差变化率Δe/Δt对比例系数修正量ΔKp和积分系数修正量ΔKi的模糊规则，见表2。

表2　ΔKp和ΔKi模糊控制规则

以上规则可在Matlab中的模糊逻辑工具箱中，通过规则编辑器以If…Then的形式进行模糊规则编辑。

2.3　解模糊化设计

解模糊化就是将模糊控制器产生的模糊量转化为参与控制的精确量，文中采用加权平均法解模糊，具体可在Matlab的模糊逻辑工具箱中选择需要的方法，算法如下：

3　重复补偿PI控制器

重复补偿PI控制器如图3所示。

图3重复补偿PI控制器

由图3可以看出，送入被控对象的控制量除了误差e的PI整定量，还叠加了一个上一周期的误差，通过把上个采样周期的误差和当前采样的误差经处理后一起送被控对象，将这种方式叫做重复控制。其中Q(s)为低通滤波器，一般Q(s)=1/(1+TqS)。

4　仿真验证

借助Simulink工具箱进行仿真系统搭建,如图4所示。

由图4可以看出，通过加入谐波源验证在电网扰动的情况下，将传统PI控制、重复补偿PI控制和PI参数自整定模糊控制三种方法作比较。系统仿真设置如下，光伏阵列输出电压370 V，经Boost电路升压至700 V供逆变桥；滤波电感L=3 mH，R=0.01 Ω；交流侧三相电压有效值220 V，频率50 Hz；谐波源设置为3次谐波电压幅值30 V，5次谐波电压幅值25 V；模糊控制器参数Ke=Kc=3，K=0.1；PI控制器初始值Kp=20，Ki=10；仿真时间设置为0.3 s；调制方式为SVPWM[8]。通过仿真分别得出3种控制方式下的并网电流和并网电流谐波分析。

传统PI控制、重复补偿PI控制和PI参数自整定模糊控制分别如图5～图7所示。

图5　传统PI控制

图6　重复补偿PI控制

图7　PI参数自整定模糊控制

从图5～图7可以看出，当电网含有谐波时，传统PI控制、重复补偿PI控制和PI参数自整定模糊控制电流总谐波畸变率分别为4.78%、4.54%和3.73%，而且传统PI控制和重复补偿PI控制的3次、5次谐波含量明显高于PI参数自整定模糊控制，所以PI参数自整定模糊控制的整体控制效果要优于其他两种。通过仿真表明，文中所提出的控制策略相比传统PI控制和重复补偿PI控制在电网扰动情况下具有一定的优越性。