改进滞环电流控制策略在光伏并网中的研究

马小虎，袁晓玲，施俊华

（河海大学能源与电气学院，江苏 南京 211100）

改进滞环电流控制策略在光伏并网中的研究

马小虎，袁晓玲，施俊华

（河海大学能源与电气学院，江苏 南京 211100）

滞环电流控制已广泛应用于光伏并网逆变器技术中，由于固定环宽控制方式下功率开关器件开关频率变化范围较大，从而导致开关功率损耗增大，给滤波电路设计带来不便。提出了一种具有PID功能的变形结构模糊控制来实现变环宽滞环电流控制的方法，通过仿真研究该方法可以降低开关频率变化范围，提高电流跟踪精度，THD值减小，谐波含量减少。

滞环电流控制；光伏并网逆变器；变结构模糊控制；变环宽

目前随着传统化石油源的逐渐枯竭，以及能源与环境问题的日益突出，太阳能作为一种绿色能源，以其清洁、无污染、蕴藏量巨大等优点成为了国家大力推广的新能源。

并网系统是由光伏阵列，BOOST电路、最大功率跟踪模块、直流稳压电容、逆变电路、滤波电路、电网组成。本文利用MATLAB/Simulink建立光伏并网系统的仿真模型，用文献[1]提出的滑模控制来实现最大功率跟踪，逆变部分通过变结构模糊控制技术来改变环宽，再经过滞环控制器来控制开关管的通断，从而实现逆变输出电流和电网电压同频同相。由于在固环宽滞环控制中，当环宽越大，开关频率变化范围较小，但电流跟踪精度降低，THD值越大，谐波含量越高。当环宽越小，电流跟踪精度越高，THD值越小，谐波含量越少，但开关频率变化范围越大[2]。文献[3]提出了一种基于模糊控制理论实现变环宽的方法，较好地解决了频谱特性不佳的问题，但由于环宽减小，开关频率变化范围没有得到很好的改善。针对以上提出的问题本文提出了一种变结构模糊控制的变环宽滞环控制可以降低开关频率变化范围，电流跟踪精度高，THD值减小，谐波含量少。

1 固环宽电流滞环控制

图1所示为单相光伏并网逆变器的拓扑结构和固环宽电流滞环控制的原理图。由于开关频率远大于电网电压频率，因此在一个开关周期可以认为电网电压ug和参考电流ig保持恒定。设滞环宽度为H，则当开关S1、S4导通时有[4]：

图1 单相光伏并网逆变器的拓扑结构和固环宽电流滞环控制的原理图

根据滞环比较器动作条件可以得到开通时间为：

同理可以得到关断时间为：

根据上面公式可得开关周期为

由上式可知当滞环宽度固定时，功率开关器件的开关频率变化范围较大。

2 变环宽滞环电流控制

由于固环宽电流滞环控制的开关频率变化范围较大从而给滤波电路的设计带来很多不便。因此为了改善固定环宽电流滞环控制开关频率变化范围大的特点提出了一种变环宽滞环电流控制，可以通过电流误差实时改变环宽从而改善开关频率的变化范围。

变环宽滞环电流控制原理是通过直流侧电压与参考电压的差值经过PI调节器和PLL锁相环获得指令电流，然后将逆变器输出电流和指令电流进行比较，产生的电流误差通过变结构模糊控制产生相应的环宽，再经过滞环控制器将电流误差与实时环宽进行比较，来决定开关脉冲的时序，使逆变输出电流上升或下降，从而实时的紧密跟踪正弦指令电流。图2所示为单相光伏并网逆变器的拓扑结构和变环宽电流滞环控制的原理图。

图2 单相光伏并网逆变器的拓扑结构和变环宽电流滞环控制的原理图

3 变结构模糊控制的实现

本文采用文献[5]中的变结构模糊控制器。在这个变形结构中采用两个模糊控制器，其中一个是最常见的具有PD功能的模糊控制器；一个是具有P功能的模糊控制器[5]。这种变结构模糊控制器具有PID功能可以减少稳态误差，提高稳态精度。模糊控制器的输出按两种方式给出，一种模糊PD输出量即为直接的控制量，另一种模糊P输出量则是增量式。通过以上方式来实现环宽的变化。

模糊控制器的控制规则一般是根据专家控制规则提出的，而在控制过程中，人所能获取的信息量基本为三个，即误差、误差的变化及误差变化的变化量[4]。在本文中模糊控制器PD的输入变量e和ec分别为电流的误差值和电流误差的变化量，输出量是环宽H。模糊控制器P的输入量为电流的误差值，输出量为环宽的变化值△h。当三角形隶属度函数为非均匀分布时，系统稳态误差较小，响应更灵敏，曲线上升速度快，因此在实际控制系统中被广泛采用。本文中模糊PD的输入量采用非均匀分布方式，输出量采用均匀方式。模糊P的输入量和输出量均采用非均匀分布方式。模糊PD的输入量及模糊P的输入量和输出量的隶属度函数如图3所示。模糊PD的输出量的隶属度函数如图4所示。

图3 模糊PD的输入量e，ec及模糊P的e，Δh隶属度函数图

图4 模糊PD输出量H的隶属度函数图

模糊控制器控制规则的形式可以用“If...Then...”语句表示，控制规则的选取直接关系到系统控制性能的优劣，是模糊控制器设计的关键。模糊控制器的规则通常是总结专家经验或经反复实验试凑、修改确定。表1为模糊PD规则表，表2为模糊P规则表。

表1 模糊PD规则表

表2 模糊P规则表

4 仿真结果分析

在MATLAB/Simulink平台下对系统进行仿真。光伏模块的参数采用Vm=35.64 V，Im=2.81 A，Voc=42.84 V，Isc=3.14 A，BOOST电路中的电容电感分别为C1=4.7mF，L=0.1mH，滤波电路中的电感电容分别为L1=8mH，C2=2μF，电网内阻R1= 1Ω，仿真时间为0.5 s。实验结果分析验证了带有变结构模糊控制的变环宽滞环电流控制能降低开关频率变化范围，电流跟踪精度高，且THD值减小，谐波含量减少。光伏并网电流和电网电压波形仿真结果如图5所示。

图5 光伏并网电流和电网电压波形图

图5仿真结果表明在0.05 s电网的输入电流是与电网电压同频同相的正弦波，功率因数近似为1，因此利用变结构模糊控制来改变环宽的电流滞环控制可以较好地使逆变器输出电流和电网电压同频同相，从而实现安全并网。

将固定环宽H=1和H=2时的电流跟踪效果与变环宽的电流跟踪效果进行比较，图6所示为光伏并网电流跟踪波形图。

图6 光伏并网电流跟踪波形图

通过图6可以看出带变结构模糊控制的可变环宽的方法得出的电流跟踪波形几乎接近于H=1时的跟踪波形，其电流峰值到电流过零点时的毛刺比H=2时的毛刺要小，从而电流跟踪精度要高，因此通过这种变环宽的方法可以提高电流跟踪精度。

将固定环宽H=1和H=2时的开关频率与变环宽的开关频率进行比较，图7所示为S1，S4开关信号的脉冲波形图。

图7 S1,S4开关信号脉冲波形图

通过图7可以看出带变结构模糊控制的可变环宽的方法得出的开关频率几乎接近于H=2时的开关频率，比H=1时的开关频率要低。因此通过这种变环宽的方法可以减小开关频率变化范围，从而减少开关损耗。

将固定环宽H=1和H=2时的谐波分析效果与变环宽的谐波分析效果进行比较，图8所示为并网电流谐波分析图。

图8 光伏并网电流的谐波分析图

通过图8可以看出带变结构模糊控制的可变环宽方法的THD值，谐波含量几乎接近于H=1时候，比H=2时的THD值要小，谐波含量少。因此通过这种变环宽的方法可以减小总谐波畸变率，减少谐波含量，从而提高输出电流的正弦度，实现高功率因数并网。

综上所述，经过比较可以得到带变结构模糊控制的可变环宽的方法可以降低开关频率的变化范围，提高电流的跟踪精度，总谐波畸变率降低，谐波含量减少。

5 结论

本文研究了一种基于变结构模糊控制的光伏并网系统滞环电流控制方法，采用电流误差和电流误差变化量作为模糊PD的输入量，采用电流误差作为模糊P的输入量，经过模糊控制输出实时改变环宽，从而达到了对并网电流的有效控制。该方法能够很好地使电网电压和逆变输出电流同频同相，降低开关频率变化范围，减少装置开关损耗，提高了电流跟踪精度，THD值减小，谐波含量减少，从而实现高功率因数并网。

[1] 张淼，吴捷.滑模技术在PV最大功率追踪系统中的应用[J].电工技术学报，2005，20(3)：90-93.

[2]RAHMAN M A,RADWAN T S,OSHEIBA AM,etal.Analysisof current controllers for voltage-source inverter[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1997,44(4):477-485.

[3] 王恒利，鞠志忠.模糊控制理论在电流滞环控制技术中的应用[J].空军雷达学院学报，2009,23（2）：113-115.

[4] 孙孝峰.高频开关型逆变器及其并联并网技术[M].北京：机械工业出版社，2011.

[5] 李国勇.智能控制及其MATLAB实现[M].北京：电子工业出版社，2005.

[6] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.

[7] POULSE S,M ICHAEL A,ANDERSEN E.Hysteresis controller with constant switching frequency[J].IEEE Trans on Consumer Electronics,2005,51(2):688-693.

Improved hysteresis currentcontrolscheme for photovoltaic grid-connected system

MA Xiao-hu,YUAN Xiao-ling,SHIJun-hua
(College of Energy and Electrical Engineering,HohaiUniversity,Nanjing Jiangsu 211100,China)

Hysteresis current control system has been widely used in PV grid-connected inverter technology.For a wide range of switch frequency of power switching device in fixed-band control mode,it can increase the loss of switch power and can bring inconvenience of filter circuit. A method was proposed that variable structure fuzzy control which has the PID function was used to realize variable-band hysteresis current control. Through the simulation, the method can reduce the range of switch frequency, improve the current tracking precision, and decrease the THD value and harmonic content.

hysteresis current control;PV grid-connected invert;variable structure fuzzy control;variable-band

TM 464

A

1002-087 X(2013)11-2019-04

2013-04-02

马小虎（1988—），男，江苏省人，硕士研究生，主要研究方向为电力电子与电力传动。