基于模糊控制的光伏逆变双模式控制系统

王 海，胡天友，张晓博

(电子科技大学 机械电子工程学院，四川 成都611731)

0 引 言

随着光伏发电及其并网技术的发展与推广，光伏逆变器的应用场合与电网系统构成趋于复杂，对光伏逆变器的功能和应用范围提出了更高要求［1］。传统的线性控制策略在对应用环境变化及本身具有非线性的光伏逆变器控制中效果较差。同时随着应用场合及负载的供电可靠性要求，逆变器需要具有独立/并网双模式工作特性，以满足脱网条件下光伏逆变器对负载的可靠供电，提高光能利用效率。同时需使光伏逆变器工作模式无缝切换，以保证负载供电切换过程的平滑可靠。

本文分析了光伏并网系统特性，并提出基于模糊控制的双模式光伏逆变器控制策略，使光伏逆变器具有良好的抗干扰能力和较强的鲁棒性，同时设计合理的模式切换策略，保证切换过程的平滑过渡，实现无缝切换。通过实验结果验证了该方案的可行性。

1 双模式逆变系统工作原理

图1 所示为光伏逆变器独立/并网双模式控制系统原理图，由IGBT 模块(T1 ～T4)构成桥式功率电路［2］，利用正弦波脉宽调制方法实现逆变输出。经过电感L、电容C 构成的低通滤波器将输出信号的高频谐波滤除［3］，产生工频交流正弦波信号输出至负载和电网［4］。切换电路开关S 由快速双向可控开关器件构成，实现逆变器独立/并网输出切换。

图1 控制系统原理图

同时，采样调理电路实时采样输出电压uO和输出滤波电感电压uL与电流iL，并检测电流过零点送入DSP 作控制处理。

1.1 逆变器输出特性分析

如图1 所示，逆变系统IGBT 逆变信号输出后经过LC 滤波电路［5］，此时逆变器系统后端具有明显的非线性特性，如图2 所示。由于m1，m2和m3处的曲线斜率不同，在调整相同的占空比时产生的输出量调整变化量会随着时间变化而不同。

图2 逆变系统非线性特性图

同时，由于光伏逆变系统应用环境较为复杂，存在不可预期的负载阻抗Z 的变化和外界干扰，较难建立精确的数学模型。此时传统的线性控制策略较难适应应用环境。

1.2 模糊控制性能分析

模糊控制器原理为［6］:首先建立模糊控制推理方法与模糊量隶属函数;然后将输入信号的精确量离散化和模糊化，变为模糊量送入模糊判别模块通过模糊控制推理方法作相应判别;最后将模糊控制处理结果输出。

模糊控制针对难以建立精确数学模型和存在参数变化及负载干扰的非线性系统有较强的针对性和应用效果［7］。同时能够简化系统复杂性，使系统具有较强适应性与鲁棒性。所以在具有非线性和负载变化与环境干扰较大的光伏逆变系统中引入模糊控制器。

1.3 双模式切换暂态分析

光伏逆变器在独立工作时主要控制稳定电压输出［8］，并网工作时主要控制并网电流，故需要采用双工作模式控制。工作模式切换有两种情况:在电网异常或者收到断网指令时，逆变输出通过切换电路与电网断开，与负载连接并给负载供电，由独立工作模式转为并网工作模式;在电网正常时逆变器接收到并网指令后，逆变输出通过切换电路与电网连接并输出并网电流，由并网工作模式转为独立工作模式。

(1)独立模式切换为并网模式暂态分析。独立模式下光伏逆变器作为独立电压源给负载提供稳定电压uO，在t1时刻切换电路动作，逆变器输出连接到电网，此时负载电压uO被强制突变为电网电压ug。突变量为

同时，由于独立模式下为电压控制，切换为并网模式的电流控制时导致并网前输出值突变为并网需求的最大功率跟踪的电流给定输出值。突变增量为

式中:Ic为并网模式和独立模式下的电流输出值瞬时值;θ 为并网模式和独立模式下的输出阻抗引起的电流与电压相位差。

(2)并网模式切换为独立模式暂态分析。并网模式下，光伏逆变器处于电流源输出控制模式，负载电压uO为电网电压ug，逆变器输出电流为并网模式下电流控制算法的电流ic。控制模式切换时，逆变器电压闭环控制电压产生变化，同时切换为独立模式时电流环控制对象给定值发生突变，电流突变量为

综上，在工作模式切换过程中，控制不当会产生输出电压电流畸变，对负载产生瞬时冲击。所以在切换过程中应该保证电压电流突变量越小越好，避免产生输出畸变对负载和逆变器系统产生不良影响。

2 双模式逆变器控制系统

双模式逆变器控制系统需要在独立/并网模式下分别控制输出电压与电流，同时需保证独立/并网双模式切换时逆变器输出跟踪电网电压以减小突变量，避免出现电压电流突变对负载与逆变器系统产生冲击。

2.1 模糊控制器设计

根据模糊控制原理，需选取适当的输入与输出变量［9］。本系统采用双输入单输出控制模式。选取逆变器系统模糊控制器输出变量为IGBT 的占空比，即通过调整开关器件占空比在独立于并网模式下分别调整输出电压uO与电流io。在独立模式下选取输出滤波电感uL与输出电压误差ΔuO作为输入变量。在并网模式下选取输出滤波电感电流误差量ΔiL及输出电感电压uL为输入变量。选取滤波电感参数作为输入变量可消除由于LC 滤波电路产生的非线性影响。

图3 为设计独立/并网模式下的模糊控制器隶属函数。系统共设计7 个模糊子集:NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB，分别代表正大、正一般大、正小、零、负小、负一般大、负大。输入量经过隶属函数模糊化处理后按端模糊规则继续处理。

图3 隶属度函数

系统采用双输入单输出模式建立模糊规则，模糊规则以if-then 语句形式建立控制规则，并利用DSP 程序作模糊推论。设计合理的模糊控制规则，输入为uL、ΔuO、ΔiL，输出值为占空比k，并由Matlab 仿真得出模糊控制规则曲面图如图4 所示。

图4 模糊控制规则曲面图

最后，将经过模糊规则处理的信号值作解模糊化处理，利用加权平均法［10］得出判决结果，即可得到输出值:

式中:k 为判决结果;μ 为隶属度;ui为规则表中对应元素。

2.2 独立/并网双模式切换控制策略

由独立/并网双模式切换暂态分析可知，切换过程需要尽量避免出现电压、电流突变量对系统产生冲击［11］。下面设计切换控制流程保证切换过程平滑过渡。

(1)独立模式切换为并网模式的控制策略。逆变系统在独立供电模式下，以系统内部控制信号为基准控制系统稳定电压输出。收到并网信号时，此时的逆变系统输出与电网电压幅值、频率与相位都可能存在差异［12］。在并网切换开关动作之前，通过数字锁相程序［13］，使逆变器输出电压与电网匹配。

首先经过DSP 比较计算出市电与逆变器输出相位差及市电频率后，设置DSP 的脉宽调制中断子程序，将计算得出的相位差值与需要跟踪的市电频率送入PWM 中断中，计算得出实时的逆变器参考正弦波，通过逐步调整逆变器输出波形的频率以逐渐跟踪上市电相位。当相位差值为零时，逆变器恢复市电频率输出，完成锁相。

独立模式下为电压控制算法。在完成逆变器输出锁相后，逆变器电压与电网电压保持匹配。锁相完成后切换控制算法，由电压控制转为电流控制，并将负载电流作为控制初值以保证平滑过渡。此时，由于不同负载的性质不一样，可能存在逆变器输出电压与电流存在相差［14］。选择负载电流过零点启动切换开关，可有效避免电流冲击。启动切换后为避免电压控制转为电流控制产生冲击，在切换完成到稳定并网工作阶段实施逐步调整电流，避免系统出现冲击。

(2)并网模式切换为独立模式的控制策略。逆变系统在并网模式下，系统作输出电流控制，保证最大功率并网。输出电流通常大于负载工作电流［15］。

在接收到切换指令时，首先将负载电流信号送入DSP 作为参考电流值送入并网模式下的电流控制，将逆变器输出电流逐步减小为负载电流。完成电流调整后，由于此时并网过程逆变电压与电网电压保持匹配，故可以保持电流控制并实施电路切换。切换完成后，控制模式由电流控制转化为独立模式下的电压控制。

在该切换控制策略中，通过对逆变输出电压电流的有效控制及切换时刻合理选取，有效避免出现电压电流瞬态冲击对系统和负载产生影响。

3 实验结果分析

根据上述分析设计，基于TMS320LF2812 设计制作了一套基于模糊控制的双模式光伏逆变器样机，并进行了实验。设计样机参数为:额定交流输出电压220 V;额定输出功率3 kVA。

图5 所示为逆变器独立模式切换为并网模式的实验波形，图6 所示为逆变器由并网模式切换为独立模式的实验波形，1 号通道信号为负载电压波形，2 号通道为逆变器输出电流波形。

图5 模式切换控制流程

图6 实验波形

4 结 语

本文提出了一种基于模糊控制的双模式光伏逆变并网系统控制策略，并根据控制方案基于DSP设计了一套实验装置。运用DSP 的高效可靠的数字化性能，实现了逆变器输出实时跟踪市电输出并且在负载变化时具有较强的鲁棒性，同时工作模式切换过程中实现平滑过渡。实验结果表明，该控制策略稳定可靠，适用于带负载的双模式光伏并网发电系统。

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