《电子技术应用》

电流型并网逆变器的模糊滞环控制

2015年微型机与应用第13期
黄少辉,林培杰,程树英,孙占东
(福州大学 物理与信息工程学院 微纳器件与太阳能电池研究所,福建 福州 350108)
摘要: 为改善滞环控制应用在并网逆变器中会出现系统开关频率不固定的问题,提出一种将模糊控制器与滞环比较器相结合的控制方法。通过对并网逆变器的建模和滞环电流控制原理的分析,可知开关频率与滞环环宽之间的关系。以电网电压及指令电流的偏微分为输入变量建立模糊控制规则,经过一定的模糊运算输出滞环环宽,从而动态地控制环宽达到稳定频率的目的。该方法能有效地降低开关频率,减小电流谐波。仿真和实验结果证明了该方法对稳定滞环开关频率是有效的,尤其是在过零点与顶点处,同时能够改善谐波特性。

Abstract:

  摘  要: 为改善滞环控制应用在并网逆变器中会出现系统开关频率不固定的问题,提出一种将模糊控制器与滞环比较器相结合的控制方法。通过对并网逆变器的建模和滞环电流控制原理的分析,可知开关频率与滞环环宽之间的关系。以电网电压及指令电流的偏微分为输入变量建立模糊控制规则,经过一定的模糊运算输出滞环环宽,从而动态地控制环宽达到稳定频率的目的。该方法能有效地降低开关频率,减小电流谐波。仿真和实验结果证明了该方法对稳定滞环开关频率是有效的,尤其是在过零点与顶点处,同时能够改善谐波特性。

  关键词: 并网逆变器;模糊控制;电流滞环;固定开关频率

0 引言

  光伏发电和风力发电是新能源发电领域的两种主要发电方式,充分地利用这些电能,将其输送给电网需要的关键技术就是并网逆变器[1]。逆变器在并网时,需控制其输出电流与电网电压同相位,以免给电网带入谐波,污染电网[2]。电流滞环控制由于其无条件的稳定性、响应的快速性、不需要系统的任何参数信息、很好的控制精度及实现简单等优点,非常适用于并网逆变器控制。但是,滞环控制最大的问题是其开关频率高且不稳定,使得逆变器输出频谱特性不理想,输出滤波器设计较难及体积重量偏大,噪声较大等[3]。为此,国内外学者提出了多种改进方法来解决这一问题[1,4-9]。参考文献[6]通过锁相跟踪给定时钟的频率,对开关频率进行反馈闭环控制,达到固定开关频率的目的,该方法由于一般涉及复杂的锁相环节,实际工程中应用难度较大。参考文献[7]提出一种滞环宽度预测方法,根据对前一电流误差周期作几何分析而确定下一周期的滞环宽度,保持开关频率稳定。它可实现数字化控制,但输出电流的低次谐波含量较高,且存在稳态误差。本文在滞环电流控制基础上提出一种基于模糊控制的滞环电流控制方法。该控制方法保持了模糊控制不依赖被控对象的精确模型,抗干扰能力强,响应速度快,并对系统参数的变化有较强的鲁棒性,能够实现对电流的快速跟踪和对开关频率的限制,避免了过高的开关频率对开关器件的损害及有效地减小开关损耗。

1 滞环电流型并网逆变器原理

  图1为单相滞环电流型并网逆变器原理图,直流源可以是太阳能、风能等可再生能源发电设备或者是蓄电池,逆变器负载为公共交流电网(220 V/50 Hz)。滞环控制应用于控制逆变器并网电流,易于实现对电网电压频率和相位的实时跟踪,响应迅速且稳定性好。在图1中,由相位检测环节得到的同步信号与并网电流的给定幅值一起送往正弦波发生器,生成与电网电压同频同相的参考电流信号ig*,再经滞环比较器对并网电流反馈信号ig与ig*的偏差5F88.tmp.jpg进行调制得到开关管控制信号,从而可以控制并网电流。滞环比较器的工作原理为:电流参考信号ig*与实际电流信号ig进行比较,作为滞环控制器的输入,当ig<ig*-h时(2h为滞环宽度),滞环比较器输出高电平信号,S1、S4导通,系统输入侧电流增加;当ig>ig*-h时,滞环比较器输出低电平信号,S2、S3导通,系统输入侧电流减小,这样不断进行逐次比较调节,保证始终跟踪给定电流,且处于滞环带内[10]。

Image 001.png

  由图1的结构图及参考文献[2]可得式(1):

6063.tmp.jpg

  其中,HB为滞环宽度;60F9.tmp.jpg为开关频率;Udc为直流侧电压;Vg为电网电压;i*为指令电流;L为电感系数。

  当滞环宽度固定时,功率开关器件的开关频率fc是变量,与Udc、Vg、6178.tmp.jpg、L相关。对于并网逆变器,Udc和电感L一般是固定不变的。当HB为固定值时,开关频率fc只与Vg、6178.tmp.jpg值相关,而Vg是电网的电压,是一个时变的正弦波,6178.tmp.jpg也是一个时变的变量,所以在一个开关周期内,开关管的开关频率伴随着Vg、6178.tmp.jpg的变化而变化。由于开关的频率不固定,导致滞环并网逆变器在开关器件选择、滤波参数设计及热稳定性设计等方面都存在许多问题。因此,在大功率电力变化中其应用有限,并且从式(1)可以看出,要计算滞环的宽度是相当复杂的,对于并网逆变器来说直接计算基本上是不可能的。

2 模糊控制算法及实现

  并网控制中的滞环是非线性环节,而模糊控制器有理想的动态性能,对系统的过程参数变化不敏感,有很强的鲁棒性,由此设计一种加入模糊算法控制环宽可变的并网逆变控制器。

  为了解决传统方法开关频率变化大的问题,滞环的环宽被设计成是动态可变的,模糊控制能够克服非线性因素引起的一些影响。所以这种并网控制系统不仅有模糊控制的优点,如灵活、自适应等,而且有滞环控制的优点,如精度高、反应速度快。

  从前面的分析可知,模糊控制的输入包括两部分:电网电压和参考电流的变化率,输出为直接控制量滞环宽度HB。图2为模糊控制的原理框图,这是一个二维输入、一维输出的PD型模糊控制器。

Image 002.png

  首先将输入输出模糊化,将参考电流变化率、电网电压分为7个模糊子空间{NL、NM、NS、ZR、PS、PM、PL},代表{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}。滞环宽度HB的模糊子空间为{H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7},其中H1<H2<H3<H4<H5<H6<H7,本方案中,Vg的基本论域为[-1,1],6178.tmp.jpg的基本论域为[-1,1],HB的基本论域为[0,1]。为确保模糊参数调节器有较高的灵敏度,隶属度函数的形状选择为非均匀分布的三角形隶属函数,相对于梯形隶属函数,其超调量和稳态误差比较小;并且与均匀分布方式相比,其系统稳态误差小,响应更灵敏,曲线上升速度快。隶属度函数分别如图3所示。模型中的模糊推理合成规则遵循极大极小合成规则,并采用Mamdani型模糊推理算法。

Image 003.png

  本文有两个模糊输入变量和一个模糊输出变量,每个变量对应有7个模糊语言子集,所以一共有49条模糊控制规则。根据式(1)求出的标准环宽的变化规律总结出模糊控制规则,输入到模糊控制器中,并经过反复的实验试凑、修改、验证,可得到如表1所示的模糊规则表,控制器的曲面观察如图4所示。

Image 004.png

3 仿真验证

  使用MATLAB/SIMULINK搭建了一个单相电流型并网逆变器的仿真模型,仿真参数采用单相交流电压Vg=220 V/50 Hz,直流电压Udc=350 V,电感值L=10 mH;输出电流峰值为6 A,给定频率fc=10 kHz,仿真时间为0.4 s。

  当滞环宽度HB固定为0.5 A时,输出的电流波形如图5(a)所示;当滞环宽度HB固定为1 A时,输出的电流波形如图5(b)所示;当滞环宽度不固定时,应用模糊控制算法,可得到输出电流波形如图5(c)所示。可以看出,当滞环宽度固定时,环宽大,则频率小,环宽小,则频率高,且在峰值处频率最低,在过零点处频率最高。而模糊控制滞环的宽度随着输出电流的相位角变化而变化,在过零点滞环的宽度最宽,频率下降,在电流峰值滞环宽度值变窄,输出频率升高,从而保持电流的频率稳定,符合理论。FFT变换可得到固定环宽的频率分布较宽,而采用模糊控制的可变环宽的频率分布则主要集中在10 kHz附近,满足设计要求。

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  图6中虚线为根据式(1)求得的标准滞环宽度,实线为模糊控制求出的滞环环宽,可以看出两者基本上一致,环宽范围在0.2 V~0.9 V之间,所以可以保证输出的电流能够跟踪电网电压相位并且电流频率基本上保持一致。

  图7为并网电流FFT分析结果。由前面分析可知,滞环环宽越小,输出的电流波形也越接近于电压波形;波形越好,总谐波畸变率也越小。所以,当滞环环宽固定为HB=0.5 A时,总谐波畸变率THD=1.72%,达到最小,谐波主要分布在5 kHz~20 kHz,范围很宽,且均匀分布;当滞环环宽固定为HB=1 A时,THD=4.77%,达到最大,谐波主要分布在2 kHz~15 kHz;当用模糊控制可变环宽时,THD=3.15%,较小,谐波主要集中在10 kHz附近,频率大大减小,与理论结果一致。

Image 007.png

4 实验验证

  研制了一台并网逆变器进行验证。逆变器采用单极性SPWM调制方式,采用TMS320F28035作为主控芯片,其他器件参数与仿真值一致,将算法转换为DSP控制程序,额定输出电流峰峰值为4 A。

  如图8所示,电压每格100 V,电流每格为2 A,电流的相位与电网电压一致,观察开关管的波形可以看到开关频率fc=10 kHz基本保持不变。与固定环宽的波形相比较,电流在过零点变化幅度最宽,在电流峰值变化幅度较窄,与仿真结果一致。电流波形在CCS中进行FFT分析得到的频谱图也与仿真结果一致,模糊控制算法的结果谐波主要集中在10 kHz,THD也较小。

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5 结论

  本文针对传统固定滞环应用于并网逆变器所产生的频率不固定的问题,提出了一种模糊滞环控制方法。通过模糊控制器对滞环的环宽进行动态调整,从而能够有效地稳定开关频率。仿真和实验结果显示,模糊控制环宽与固定滞环环宽在电流跟踪效果上是一致的,都能实现快速跟踪。两种控制方法主要的不同点在于,模糊控制方法与传统的固定环宽的滞环控制方法相反,具有瞬时的频率固定。通过模糊控制输出滞环的环宽,稳定了开关频率,降低了功率管开关损耗,使得并网逆变器性能提高。本方法对于谐波消除和电子开关保护有重要意义。

参考文献

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