模糊-PID控制策略在微电网电压电流双闭环下垂控制系统中的应用

闫宇豪 方愿捷 郑喆 石帆 耿榕嵘 吴昱倩

摘 要：针对微电网下垂控制双闭环结构控制难的问题，本研究以直流微电网系统为研究对象，设计电压电流双闭环控制结构，对电流内环采用PI控制，将电流内环整定成Ⅰ型系统，实现电流的快速跟随。电压外环采用模糊PI控制器，并根据电压反馈值来实现对PID参数的实时调节。基于上述设计原理，借助Simulink仿真软件对下垂控制系统进行综合设计，仿真试验验证了基于模糊-PID控制策略的微电网电压电流双闭环下垂控制的有效性。

关键词：下垂控制;双闭环;模糊PID;Ⅰ型系统

中图分类号：TP273.4     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）12-0007-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.12.001

Application of Fuzzy-PID Control Strategy in Voltage and Current Double Closed-Loop Droop Control System of Microgrid

YAN Yuhao1    FANG Yuanjie1    ZHENG Zhe2     SHI Fan1     GENG Rongrong1    WU Yuqian1

（1.Chaohu University，Industrial Process Control Optimization and Automation Engineering Research Center，Hefei 238000，China;2.Anhui China Longyang Power Group New Energy Development Co.，Ltd.，Hefei 238000，China）

Abstract：For the difficulty of double closed loop structure of microgrid droop control.In this study，with the DC micro grid system object，we design the voltage-current double closed-loop control structure，PI controller adopted for the current inner ring respectively，and the current inner ring is adjusted to an I-type system to realize the rapid follow of the current.The voltage outer ring adopts the fuzzy PI controller and adjusts the PID parameters according to the voltage feedback value.Based on the above design principle，the droop control system is comprehensively designed by Simulink，and the effectiveness of double closed loop droop control system of Voltage-current in microgrid based on fuzzy-PID control strategy is verified by simulation experiment.

Keywords：droop control;double closed loop;fuzzy-PID;I-type system

0 引言

隨着经济社会的不断发展，人类对能源的需求也越来越大，能源的可持续性供应成为全世界关注的焦点。太阳能、风能等新能源正在不断地被开发利用，用来解决全球化石能源危机和环境污染问题[1-2]。而组成新能源发电的分布式电源（Distribute Generation，DG）本身具有不稳定性，在接入微电网时，会对电网系统造成一定的影响。因此，保持直流母线电压稳定对直流微电网的应用和发展起着至关重要的作用。当前，直流微电网中保持直流母线电压稳定的控制方法有恒压恒频控制（V/f）、恒功率控制（PQ控制）以及下垂控制（Droop Control）。

随着微电网技术的发展，诸多学者对下垂控制策略展开研究。其中，Guerrero等[3]在研究过程中利用微分项获得下垂曲线的变化趋势，进一步改善逆变器的动态性能。唐昆明等[4]提出一种自适应下垂控制策略，其在传统频率下垂曲线中引入暂态分量来消除功率的振荡和降低功率控制的滞后性。

上述研究成果表明，在对下垂控制部分设计时，电压电流双闭环控制结构中大多采用传统的PI控制器，PI控制器直接设置的固定参数必须要通过经验方法才能得到最佳参数。本研究在已有研究成果的基础上，将电流内环系统整定为典型Ⅰ型系统，对电流内环的控制器参数求解并进行具体分析，电压外环采用模糊自整定PI控制器进行控制。该方法充分发挥了传统PI控制方法的优点，使得电压电流波形接近正弦波，满足并网需求。

1 下垂控制原理

下垂控制选用和传统发电机相似的一次调频曲线来控制逆变器。通过对微源所输出的有功功率和无功功率进行调节，以此来获得稳定的频率及电压，从而确保在孤岛下的微电网内频率及电压的统一，此策略简单可靠。下垂控制包括两个部分：有功功率-频率下垂控制曲线[5]和无功功率-电压下垂控制曲线（见图1、图2）。

由图1和图2可知，下垂控制对功率进行开环控制[6]，利用逆变器输出的有功功率和频率的线性关系对有功功率进行调节，同时利用逆变器输出的无功功率和电压的线性关系对无功功率进行调节。

在这种控制方式中，微电网不需要设置通信设备，可以根据自身状态来直接调节输出的有功功率和无功功率，从而满足负荷需求。在实时控制中，这种控制方式也比较简单。其结构框图如图3所示。下垂控制的具体步骤如下。①利用电压电流的测量模块来采集逆变器输出端经过LC滤波后的电压电流。②功率计算。采集分布式微电源的电压和信号，分别进行Park变换（将电网中发电机发出的a、b、c三相电压或电流转换到dq坐标系中），得到dq坐标系中的电压和电流。根据功率计算理论，得出分布式微电源输出的平均功率P和Q。③下垂控制。在下垂特性计算的基础上，将负荷实际消耗的功率与微电源输出的功率进行比较，输出电压和频率的调节指令。④电压合成。将电压和频率指令经过Park变换，得到dq轴分量Udref和Uqref。⑤电压电流双闭环控制器。采用典型的双闭环控制结合模糊PI控制器，产生控制所需的SPWM调制信号，反馈作用于微电源逆变器，使微电源逆变器产生负荷所需的电压和频率。

2 电压電流双闭环控制设计

2.1 电流内环PI控制器设计

电压电流双闭环控制就是将逆变器控制系统中的电流环置于内环、电压环置于电流环的外部作为外环的一种控制方式。电压电流双闭环结构如图4所示。电流环响应速度大于电压环，将电压环的输出作为电流环的参考输入，同时也可将电流环反馈的电流作为控制量，在满足电流指标的同时，也有利于减小输出电压的纹波。这种双闭环控制结构可以改善系统的暂态响应过程。电压电流双闭环调节采用比例积分（PI）调节器，在PI参数为合适值时，可以获得良好的静态和动态性能。

2.2 电压外环Fuzzy-PID控制器设计

模糊控制原理图如图5所示。根据采集的输入电压与额定电压的差值和差值变化率来进行模糊化处理，选取合适的比例因子和量化因子，使模糊控制系统的输入电压的偏差eu、电压偏差变化率ecu和输出Kp/Ki的基本论域均在模糊集合的设定范围内，其对应的隶属度函数关系如图6所示。

模糊控制器采用Mamdani型推理方法的“if e is A and ec is B then U is C”模糊规则，获得电压输入变量eu、ecu经比例因子模糊化后的值。通过模糊规则的推理，得到输出Kp/Ki的模糊值，经过centroid重心法解模糊化即可得到Kp/Ki的值，从而实现模糊规则对PI控制器参数的实时调控。电压幅值偏差eu和偏差变化率ecu的基本论域均为[-6，6]，基本论域经量化后落在模糊集合{-6，-4，-2，0，2，4，6}内，相应的语言变量集合为{负大（NB），负中（NM），负小（NS），零（ZO），正小（PS），正中（PM），正大（PB）}，Kp的基本论域为[6，10]，Ki的基本论域为[100，110]，两个论域经过量化后分别落在模糊集合{6，6.69，7.33，8，8.67，9.33，10}和{100，101.7，103.3，105，106.7，108.3，110}内，相应的语言集合也为{负大（NB），负中（NM），负小（NS），零（ZO），正小（PS），正中（PM），正大（PB）}。表1为Kp/Ki模糊控制规则，图7为模糊推理输出的Kp曲面图，图8为模糊推理输出的Ki曲面图。

2.3 电流环设计

针对图4所示的电压电流双闭环控制结构图，将电流环加入PI控制器后进行等效，其传递关系如图9所示。

该系统的开环传递函数见式（1）。

式中：G（s）为电流环的开环传递函数;s为滤波器的最低频率;[kpi]为电流调节器的比例;[kii]为电流调节器的积分系数;L、R为滤波器参数。

由开环传递函数可以看出，在电流环采用比例积分控制时，电流调节器被整定为Ⅰ型系统，由控制理论可知，该系统可以提高电流环的快速性和稳定性。

闭环传递函数见式（2）。

式中：[Φis]为闭环传递函数;G为开环传递函数。

从闭环传递函数来看，电流环是一个具有零点的二阶系统，只要保证[kpi]>-R且[kii]>0，就可以保证闭环系统的稳定性。从频率域出发对系统进行设计，设计电流环的闭环系统的带宽频率[ωb]为1 600 Hz，有带宽频率的定义见式（3）。

式中：[Φijωb]为以带宽频率为变量的电流环闭环传递函数;j为虚数。

当滤波器参数R=0.01 Ω、L=0.6 mH时，取[kpi=6.041]，[kii=10][7]。

3 仿真测试分析

3.1 传统电压电流双闭环控制模型仿真

将下垂系数设置为0.000 01，电压环PI调节器的参数设置为Kp=18、Ki=100，负荷接入微电网，采集负载端的电压电流的数据，得到如图10所示的仿真波形，图10（a）为电压波形，图10（b）为电流波形。从图10（a）可以看出，电压波形存在一定的谐波，波形不是完整的正弦波。

将电流环PI调节器参数设置为[kpi=6.041]，采集电流环的电流数据如图11所示，图11（a）为d轴的电流波形（Park变换得到的d轴电压输入到电压电流双闭环所得到的电流），图11（b）为q轴的电流波形（Park变换得到的q轴电压输入到电压电流双闭环所得到的电流）。从图11可以看出，电流环的阶跃响应的超调较大，d轴的电流超调达到30 000 A，q轴的电流超调达到20 000 A，调节时间在0.035 s左右。

以上仿真结果是传统电压电流双闭环控制器在电压环PI控制器的参数设为Kp=18、Ki=100时的仿真结果。从仿真结果可以看出，负载电压输出的波形存在一定的毛刺，电流环的单位阶跃较大，调节时间比较长。

3.2 模糊PI控制的电压电流双闭环仿真

将下垂系数设置为0.000 01，电压环在采用模糊PI调节器时，负荷接入微电网后，采集负载端的电压电流的数据，得到如图12所示的仿真波形，图12（a）为电压波形图，图12（b）为电流波形图，从波形图可以看出电压的波形更加接近正弦波。

将电流环PI调节器的参数设置为[kpi=6.041]、[kii=10]，采集电流环的电流数据如图13所示，图13（a）为d轴的电流波形（Park变换得到的d轴电压输入到电压电流双闭环所得到的电流），图13（b）为q轴的电流波形（Park变换得到的q轴电压输入到电压电流双闭环所得到的电流）。从波形图可以看出，电流环d轴的电流超调为15 000 A，q轴的电流超调为2 000 A，调节时间在0.005 s左右。

图12、13是采用模糊PI控制器时的仿真结果。从仿真结果可以看出，电压输出波形非常平滑，电流环的单位阶跃响应较小，调节时间也明显减小，调节速度明显加快。

4 结语

通过对仿真结果进行分析可以看出，相较于模糊PI规则控制器构成的系统，由传统PI控制器组成的系统输出的电压波形的质量相对较差。电压环在加入模糊PI控制器，以及电流环等效为Ⅰ型系统后，输出电压波形更接近正弦波，满足并网需求。电流环的响应速度明显加快，稳定性有所提高。

参考文献：

[1]李霞林，郭力，王成山，等.直流微电网关键技术研究综述[J].中国电机工程学报，2016（1）：2-17.

[2]朱珊珊，汪飛，郭慧，等.直流微电网下垂控制技术研究综述[J].中国电机工程学报，2018（1）：72-84，344.

[3]GUERRERO J M，MATAS J，VICUNA L G D，et al.Wireless-control strategy for parallel operation of distributed generation inverters[C]//IEEE International Symposium on Industrial Electronics.IEEE，2005.

[4]唐昆明，王俊杰，张太勤.基于自适应下垂控制的微电网控制策略研究[J].电力系统保护与控制，2016（18）：68-74.

[5]宋文隽.微电网下垂控制策略[D].包头：内蒙古科技大学，2014.

[6]郑漳华，艾芊.微电网的研究现状及在我国的应用前景[J].电网技术，2008（16）：27-31，58.

[7]宋乐.微网中下垂控制的原理及其稳定性分析[D].北京：华北电力大学，2016.