基于电网电压矢量定向控制的三相并网逆变器模糊PI控制策略

陈 坤, 曹以龙, 江友华

(上海电力学院 电子与信息工程学院, 上海 200090)



基于电网电压矢量定向控制的三相并网逆变器模糊PI控制策略

陈 坤, 曹以龙, 江友华

(上海电力学院 电子与信息工程学院, 上海 200090)

为提高逆变器并网的效率,降低并网电流的谐波畸变率,加快系统的动态响应速度,研究了基于电网电压定向的前馈解耦控制策略,设计了模糊PI控制器,制定模糊规则实现PI参数的整定,并在Matlab/Simulink中构建仿真模型以验证所提策略的有效性和可行性.

电网电压矢量定向控制; 空间矢量脉宽调制; 模糊PI; 前馈解耦

近年来,随着微电网技术的推广,与并网逆变器相连的大电网和负载存在电压波动、外部负载扰动的缺点.为了有效抑制外界固有的非线性扰动的影响,对并网逆变器控制的研究具有重要的理论意义与应用价值[1].

在目前的控制系统中,大多采用了基于空间矢量脉宽调制技术结合电网电压合成矢量定向的控制策略,通过对并网电流采用常规的PI控制器来实现单位功率因数并网[2].常规的PI控制方法工程应用较成熟,实现方便,可以实现系统的无静差调节,能够提高系统的鲁棒性.然而实际工程中的三相并网逆变器数学模型是一个多变量、非线性的时变系统,在外界扰动出现时,常规的PI控制就难以使系统继续保持良好的动态控制性能,主要表现在系统的动态性能变差,抗干扰能力降低等,甚至出现并网电流不稳定的现象[3-4].鉴于此,本文在常规PI前馈解耦控制策略的基础上,提出了一种模糊PI控制策略,结合双dq变换设计的软件锁相环,运用模糊推理理论,动态实现PI参数的实时自我整定,使逆变器输出电流快速跟踪电网电压信号,并通过仿真验证了该控制策略对逆变器并网电流暂态性能和电能质量的改善.

1 三相并网逆变器数学模型

图1为三相并网逆变器的主电路拓扑结构.

注:ea,eb,ec—三相交流电网电压;R—网侧线路总电阻;L—滤波电感;ia,ib,ic—并网电流.

图1 并网逆变器的主电路拓扑结构

在三相静止坐标系中:

(1)

式中:ua,ub,uc——逆变器的输出电压;ia,ib,ic——逆变器的输出电流.

通过坐标变换,得到两相静止坐标系中的数学模型为:

(2)

将其通过坐标变换至两相旋转坐标系,旋转坐标变换公式为:

(3)

由式(2)和式(3)整理可得:

(4)

式中:ud,uq——并网逆变器交流测输出电压矢量在d轴和q轴方向上的分量;

ed,eq——电网电动势矢量在d轴和q轴方向上的分量;

id,iq——并网逆变器交流侧输出电流矢量在d轴和q轴方向上的分量.

由式(4)可以看出,坐标变换后的电流存在d轴和q轴上的耦合.

2 电网电压定向前馈解耦控制策略

通过坐标变换,三相静止坐标系下的基波正弦量转换为同步旋转坐标系下的直流量,然而由式(4)可知,该数学模型依然为强耦合系统.因此,为了实现对电流的控制,在以上动态数学模型的基础上,结合前馈解耦策略,通过对电网电压合成矢量进行定向,使同步旋转d-q坐标系中的d轴定向在电网电压合成矢量E的方向上,将q轴沿着d轴逆时针旋转90°,即ed=Es,eq=0.其空间矢量如图2所示.图2中,Us为网侧逆变器输出电压合成矢量;Is为网侧逆变器输出电流合成矢量[5].

图2 空间矢量示意

将ed=Es,eq=0带入式(4),整理可得:

(5)

根据式(5),为了实现d轴和q轴上电流分量的交叉解耦,令:

(6)

经整理得:

(7)

由式(7)可以看出,有功电流id和无功电流iq最终实现了解耦的目的.本文将采用模糊PI控制算法,其控制结构如图3所示.

将并网逆变器的三相电流信号通过静止坐标变换和旋转矢量变换,在模糊PI控制算法的运算后,产生空间矢量脉宽调制波来控制逆变器的并网电流,从而实现其对电网电压跟踪的目的.

图3 模糊PI控制示意

3 模糊PI控制算法

模糊理论与常规PI控制相结合构成了模糊PI控制算法.该算法根据获取的连续过程状态信息,通过实时识别与修正,从而获取所需要的模糊控制规则,实现模糊规则的自学习及实时修正模糊PI控制器的参数的目的,在环境以及过程参数改变的条件下,增强了控制系统的适应能力[6-11].

3.1 模糊控制系统的设计

模糊PI控制器的具体结构如图4所示.

图4 基于模糊控制的电流闭环控制策略结构

本控制器是以参考电流值与并网电流反馈值的差e和e的变化率Δec作为输入,即e(k)=iref-iL及其误差变化率Δec,模糊控制器的输入表达式为:

(8)

根据模糊规则,输出Δkp和Δki,以调节kp和ki,最终将 PI 的参数kp和ki作为输出.模糊控制器中输出结果的表达式为:

(9)

式中:kp0,ki0——根据常规参数整定法得到的PI数值.

根据模糊控制规则可以得到PI参数的改变量Δkp,Δki.而kp,ki主要用于限幅.

由式(9)可得Fuzzy PI的输出为:

(10)

根据微电网运行的实际工程经验和并网逆变系统的特点制定出的模糊规则如表1所示.控制系统依据模糊逻辑规则表进行处理、查表以及运算,以实现PI参数实时自校正的目的.

表1 kp模糊规则

为了保证系统运行的稳定,依据系统的运行状态,对|e|和Δec量化,根据工程经验:

模糊控制器的输出为Δkp和Δki,论域均为[-3 -2-1 0 1 2 3],输入输出的模糊语言变量均为{NB NM NS ZO PS PM PB}.图5为输入输出的隶属度函数.除NB以及PB为梯形隶属度函数外,其他均是三角隶属度函数.

图5 输入变量e和Δec的隶属度函数

本文的模糊推理合成遵循max-min规则,而输出依据的是centroid法去模糊化,得到精确的数字控制量.

3.2 模糊控制模块Fuzzy I描述

建立模糊规则后,Δkp的输出曲面如图6所示.由图6可知,整张曲面在三维空间中过原点,逼近阶数很高的非线性调节器,在控制过程前期具备PI控制器的全部优点,而在控制过程的后期又具备模糊控制器的所有优势,相比传统的PI控制器,其整体控制效果优势明显.

图6 模糊控制中输入与输出量Δkp的曲面

4 仿真验证

根据上述控制方案,在Matlab/simulink下建立电网电压矢量定向系统模型,微电网的直流电压设为400 V,电网电压幅值为311 V,交流电的频率为50 Hz;变换器输入回路电感L为2 mH,微电网本地负载R为9 Ω;PI控制器比例和积分的初始参数kp0和ki0分别为10和25.误差电流矢量和变化率的两个临界值e=1,Δec=0.3.

模糊控制器不断地检测e和Δec,对比例和积分系数进行模糊调整,输出的Δkp和Δki这两个调节系数的变化较小,kp和ki系数只进行了微调,并没有破坏劳斯-赫维茨稳定性判据,因此仍然能够维持系统的稳定性.

两种控制方式的并网电流对比如图7所示.由图7可知,基于模糊控制的PI控制系统具有较好的动态控制性能,仿真数据表明,模糊PI控制在电网参数变化或负载扰动而导致给定电流突变时,其动态调整时间小于5 ms,远小于PI控制中的动态调整时间.并且模糊PI控制在并网电流为15 A时,由于模糊控制能够做到自学习实时改变控制器的PI参数,使总的并网电流THD降低为0.7%,并网电能质量相比PI控制改善较明显.

图7 两种控制策略的并网电流对比

并网电流与大电网电压波形如图8所示.由图8可知,在电网参数变化或者负载扰动出现.给定电流由15 A突变到20 A时,并网电流和电压不但可以保持同相位,而且可以实现快速跟踪给定,功率因数接近1.

图8 并网电流和大电网电压波形

5 结 语

针对常规并网逆变器在暂态性能和电能质量方面的不足,设计了采用模糊PI控制器的三相并网逆变器闭环控制策略,并在Matlab中搭建了三相并网逆变器的仿真模型.仿真结果表明,该控制策略能改善并网逆变器暂态的性能和电能质量,具体表现为缩短了并网控制的动态过程调整时间,降低了并网电流的谐波畸变率.

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(编辑 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

陈坤(1991-),男,在读硕士,江苏徐州人.主要研究方向为微电网中多逆变器并联控制策略. E-mail:704650546@qq.com.

上海市地方能力建设项目(13160500900).

TM464

A

1006-4729(2017)01-0055-05