基于電網(wǎng)電壓矢量定向控制的三相并網(wǎng)逆變器模糊PI控制策略

陳 坤, 曹以龍, 江友華

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

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基于電網(wǎng)電壓矢量定向控制的三相并網(wǎng)逆變器模糊PI控制策略

陳 坤, 曹以龍, 江友華

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

為提高逆變器并網(wǎng)的效率,降低并網(wǎng)電流的諧波畸變率,加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度,研究了基于電網(wǎng)電壓定向的前饋解耦控制策略,設(shè)計了模糊PI控制器,制定模糊規(guī)則實現(xiàn)PI參數(shù)的整定,并在Matlab/Simulink中構(gòu)建仿真模型以驗證所提策略的有效性和可行性.

電網(wǎng)電壓矢量定向控制; 空間矢量脈寬調(diào)制; 模糊PI; 前饋解耦

近年來,隨著微電網(wǎng)技術(shù)的推廣,與并網(wǎng)逆變器相連的大電網(wǎng)和負(fù)載存在電壓波動、外部負(fù)載擾動的缺點.為了有效抑制外界固有的非線性擾動的影響,對并網(wǎng)逆變器控制的研究具有重要的理論意義與應(yīng)用價值[1].

在目前的控制系統(tǒng)中,大多采用了基于空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)結(jié)合電網(wǎng)電壓合成矢量定向的控制策略,通過對并網(wǎng)電流采用常規(guī)的PI控制器來實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)[2].常規(guī)的PI控制方法工程應(yīng)用較成熟,實現(xiàn)方便,可以實現(xiàn)系統(tǒng)的無靜差調(diào)節(jié),能夠提高系統(tǒng)的魯棒性.然而實際工程中的三相并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型是一個多變量、非線性的時變系統(tǒng),在外界擾動出現(xiàn)時,常規(guī)的PI控制就難以使系統(tǒng)繼續(xù)保持良好的動態(tài)控制性能,主要表現(xiàn)在系統(tǒng)的動態(tài)性能變差,抗干擾能力降低等,甚至出現(xiàn)并網(wǎng)電流不穩(wěn)定的現(xiàn)象[3-4].鑒于此,本文在常規(guī)PI前饋解耦控制策略的基礎(chǔ)上,提出了一種模糊PI控制策略,結(jié)合雙dq變換設(shè)計的軟件鎖相環(huán),運(yùn)用模糊推理理論,動態(tài)實現(xiàn)PI參數(shù)的實時自我整定,使逆變器輸出電流快速跟蹤電網(wǎng)電壓信號,并通過仿真驗證了該控制策略對逆變器并網(wǎng)電流暫態(tài)性能和電能質(zhì)量的改善.

1 三相并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型

圖1為三相并網(wǎng)逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).

注:ea,eb,ec—三相交流電網(wǎng)電壓;R—網(wǎng)側(cè)線路總電阻;L—濾波電感;ia,ib,ic—并網(wǎng)電流.

圖1 并網(wǎng)逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在三相靜止坐標(biāo)系中:

(1)

式中:ua,ub,uc——逆變器的輸出電壓;ia,ib,ic——逆變器的輸出電流.

通過坐標(biāo)變換,得到兩相靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型為:

(2)

將其通過坐標(biāo)變換至兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換公式為:

(3)

由式(2)和式(3)整理可得:

(4)

式中:ud,uq——并網(wǎng)逆變器交流測輸出電壓矢量在d軸和q軸方向上的分量;

ed,eq——電網(wǎng)電動勢矢量在d軸和q軸方向上的分量;

id,iq——并網(wǎng)逆變器交流側(cè)輸出電流矢量在d軸和q軸方向上的分量.

由式(4)可以看出,坐標(biāo)變換后的電流存在d軸和q軸上的耦合.

2 電網(wǎng)電壓定向前饋解耦控制策略

通過坐標(biāo)變換,三相靜止坐標(biāo)系下的基波正弦量轉(zhuǎn)換為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流量,然而由式(4)可知,該數(shù)學(xué)模型依然為強(qiáng)耦合系統(tǒng).因此,為了實現(xiàn)對電流的控制,在以上動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合前饋解耦策略,通過對電網(wǎng)電壓合成矢量進(jìn)行定向,使同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系中的d軸定向在電網(wǎng)電壓合成矢量E的方向上,將q軸沿著d軸逆時針旋轉(zhuǎn)90°,即ed=Es,eq=0.其空間矢量如圖2所示.圖2中,Us為網(wǎng)側(cè)逆變器輸出電壓合成矢量;Is為網(wǎng)側(cè)逆變器輸出電流合成矢量[5].

圖2 空間矢量示意

將ed=Es,eq=0帶入式(4),整理可得:

(5)

根據(jù)式(5),為了實現(xiàn)d軸和q軸上電流分量的交叉解耦,令:

(6)

經(jīng)整理得:

(7)

由式(7)可以看出,有功電流id和無功電流iq最終實現(xiàn)了解耦的目的.本文將采用模糊PI控制算法,其控制結(jié)構(gòu)如圖3所示.

將并網(wǎng)逆變器的三相電流信號通過靜止坐標(biāo)變換和旋轉(zhuǎn)矢量變換,在模糊PI控制算法的運(yùn)算后,產(chǎn)生空間矢量脈寬調(diào)制波來控制逆變器的并網(wǎng)電流,從而實現(xiàn)其對電網(wǎng)電壓跟蹤的目的.

圖3 模糊PI控制示意

3 模糊PI控制算法

模糊理論與常規(guī)PI控制相結(jié)合構(gòu)成了模糊PI控制算法.該算法根據(jù)獲取的連續(xù)過程狀態(tài)信息,通過實時識別與修正,從而獲取所需要的模糊控制規(guī)則,實現(xiàn)模糊規(guī)則的自學(xué)習(xí)及實時修正模糊PI控制器的參數(shù)的目的,在環(huán)境以及過程參數(shù)改變的條件下,增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力[6-11].

3.1 模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計

模糊PI控制器的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 基于模糊控制的電流閉環(huán)控制策略結(jié)構(gòu)

本控制器是以參考電流值與并網(wǎng)電流反饋值的差e和e的變化率Δec作為輸入,即e(k)=iref-iL及其誤差變化率Δec,模糊控制器的輸入表達(dá)式為:

(8)

根據(jù)模糊規(guī)則,輸出Δkp和Δki,以調(diào)節(jié)kp和ki,最終將 PI 的參數(shù)kp和ki作為輸出.模糊控制器中輸出結(jié)果的表達(dá)式為:

(9)

式中:kp0,ki0——根據(jù)常規(guī)參數(shù)整定法得到的PI數(shù)值.

根據(jù)模糊控制規(guī)則可以得到PI參數(shù)的改變量Δkp,Δki.而kp,ki主要用于限幅.

由式(9)可得Fuzzy PI的輸出為:

(10)

根據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行的實際工程經(jīng)驗和并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的特點制定出的模糊規(guī)則如表1所示.控制系統(tǒng)依據(jù)模糊邏輯規(guī)則表進(jìn)行處理、查表以及運(yùn)算,以實現(xiàn)PI參數(shù)實時自校正的目的.

表1 kp模糊規(guī)則

為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定,依據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),對|e|和Δec量化,根據(jù)工程經(jīng)驗:

模糊控制器的輸出為Δkp和Δki,論域均為[-3 -2-1 0 1 2 3],輸入輸出的模糊語言變量均為{NB NM NS ZO PS PM PB}.圖5為輸入輸出的隸屬度函數(shù).除NB以及PB為梯形隸屬度函數(shù)外,其他均是三角隸屬度函數(shù).

圖5 輸入變量e和Δec的隸屬度函數(shù)

本文的模糊推理合成遵循max-min規(guī)則,而輸出依據(jù)的是centroid法去模糊化,得到精確的數(shù)字控制量.

3.2 模糊控制模塊Fuzzy I描述

建立模糊規(guī)則后,Δkp的輸出曲面如圖6所示.由圖6可知,整張曲面在三維空間中過原點,逼近階數(shù)很高的非線性調(diào)節(jié)器,在控制過程前期具備PI控制器的全部優(yōu)點,而在控制過程的后期又具備模糊控制器的所有優(yōu)勢,相比傳統(tǒng)的PI控制器,其整體控制效果優(yōu)勢明顯.

圖6 模糊控制中輸入與輸出量Δkp的曲面

4 仿真驗證

根據(jù)上述控制方案,在Matlab/simulink下建立電網(wǎng)電壓矢量定向系統(tǒng)模型,微電網(wǎng)的直流電壓設(shè)為400 V,電網(wǎng)電壓幅值為311 V,交流電的頻率為50 Hz;變換器輸入回路電感L為2 mH,微電網(wǎng)本地負(fù)載R為9 Ω;PI控制器比例和積分的初始參數(shù)kp0和ki0分別為10和25.誤差電流矢量和變化率的兩個臨界值e=1,Δec=0.3.

模糊控制器不斷地檢測e和Δec,對比例和積分系數(shù)進(jìn)行模糊調(diào)整,輸出的Δkp和Δki這兩個調(diào)節(jié)系數(shù)的變化較小,kp和ki系數(shù)只進(jìn)行了微調(diào),并沒有破壞勞斯-赫維茨穩(wěn)定性判據(jù),因此仍然能夠維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

兩種控制方式的并網(wǎng)電流對比如圖7所示.由圖7可知,基于模糊控制的PI控制系統(tǒng)具有較好的動態(tài)控制性能,仿真數(shù)據(jù)表明,模糊PI控制在電網(wǎng)參數(shù)變化或負(fù)載擾動而導(dǎo)致給定電流突變時,其動態(tài)調(diào)整時間小于5 ms,遠(yuǎn)小于PI控制中的動態(tài)調(diào)整時間.并且模糊PI控制在并網(wǎng)電流為15 A時,由于模糊控制能夠做到自學(xué)習(xí)實時改變控制器的PI參數(shù),使總的并網(wǎng)電流THD降低為0.7%,并網(wǎng)電能質(zhì)量相比PI控制改善較明顯.

圖7 兩種控制策略的并網(wǎng)電流對比

并網(wǎng)電流與大電網(wǎng)電壓波形如圖8所示.由圖8可知,在電網(wǎng)參數(shù)變化或者負(fù)載擾動出現(xiàn).給定電流由15 A突變到20 A時,并網(wǎng)電流和電壓不但可以保持同相位,而且可以實現(xiàn)快速跟蹤給定,功率因數(shù)接近1.

圖8 并網(wǎng)電流和大電網(wǎng)電壓波形

5 結(jié) 語

針對常規(guī)并網(wǎng)逆變器在暫態(tài)性能和電能質(zhì)量方面的不足,設(shè)計了采用模糊PI控制器的三相并網(wǎng)逆變器閉環(huán)控制策略,并在Matlab中搭建了三相并網(wǎng)逆變器的仿真模型.仿真結(jié)果表明,該控制策略能改善并網(wǎng)逆變器暫態(tài)的性能和電能質(zhì)量,具體表現(xiàn)為縮短了并網(wǎng)控制的動態(tài)過程調(diào)整時間,降低了并網(wǎng)電流的諧波畸變率.

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(編輯 胡小萍)

Fuzzy PI Control Strategy Based on a Voltage Vector Oriented Control Three-phase Grid-connected Inverter

CHEN Kun, CAO Yilong, JIANG Youhua

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

In order to improve grid-connected invert-efficiency and reduce the grid current THD,and accelerate the dynamic response speed of the system,feed-forward decoupling method is studied and Fuzzy-PI is designed to draft the Fuzzy rule to adjust PI.The simulation is built to verify the validity and feasibility of the control strategy in Matlab/Simulink.

voltage vector oriented control; space vector pulse width modulation; fuzzy PI; feed-forward decoupling

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.01.012

2016-03-16

陳坤(1991-),男,在讀碩士,江蘇徐州人.主要研究方向為微電網(wǎng)中多逆變器并聯(lián)控制策略. E-mail:704650546@qq.com.

上海市地方能力建設(shè)項目(13160500900).

TM464

A

1006-4729(2017)01-0055-05