基于模糊控制變環(huán)寬光伏逆變器的研究

張 歡，廖家平，趙熙臨

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

太陽能利用的主流方向是光伏并網(wǎng)發(fā)電［1］.光伏并網(wǎng)發(fā)電首先是由光伏陣列吸收的太陽能轉(zhuǎn)換為電能，再通過DC－DC電路實(shí)現(xiàn)電壓升高及最大功率點(diǎn)跟蹤，最后通過光伏并網(wǎng)逆變器把直流電逆變成標(biāo)準(zhǔn)的交流電，從而并到電網(wǎng)中去.其中最重要的是光伏并網(wǎng)逆變器及其控制.需要通過控制系統(tǒng)使電網(wǎng)電壓和逆變器注入電網(wǎng)電流同相，功率因數(shù)接近1［2］.PWM控制技術(shù)是目前最為流行的逆變器控制技術(shù)［3］.本文則研究其中的滯環(huán)電流，首先分析了滯環(huán)電流控制的工作原理，在此基礎(chǔ)上引入模糊控制以實(shí)時(shí)改變環(huán)寬，來達(dá)到對(duì)逆變器電流的控制.

1 滯環(huán)電流法的控制方法

為了便于分析，以單相并網(wǎng)逆變器為例，分析滯環(huán)電流的原理（圖1）.

圖1 單相并網(wǎng)逆變器原理圖

將i＊－i記為Δi，它是滯環(huán)比較的輸入.根據(jù)并網(wǎng)型逆變器原理，通過滯環(huán)比較的輸出產(chǎn)生控制信號(hào)控制T1—T4開關(guān)管的通斷［4］.具體過程是這樣的：以初始i大于0為例來分析，設(shè)滯環(huán)寬度為h，當(dāng)T1、T4導(dǎo)通時(shí)，i增大，直到i＊－i＝ —h／2時(shí)為止，此時(shí)控制信號(hào)使T1、T4截止而T2、T3導(dǎo)通，那么i減小，直到Δi為h／2時(shí)，控制信號(hào)再一次使T1、T4導(dǎo)通而T2、T3截止，i增加，如此往復(fù)，使電流始終在一定范圍內(nèi)變化.也可以簡(jiǎn)單概括為當(dāng)誤差達(dá)到滯環(huán)上限即h／2時(shí)開關(guān)管T1、T4導(dǎo)通，達(dá)到滯環(huán)下限即 —h／2時(shí)T2、T3管導(dǎo)通.

設(shè)T1、T4導(dǎo)通時(shí)間為t1，T2、T3導(dǎo)通時(shí)間為t2，直流電壓為ud，電網(wǎng)電壓為uac，濾波電感為L(zhǎng)，忽略R1、R2.那么t1時(shí)間內(nèi)，由于T1、T4導(dǎo)通則

那么

在t1時(shí)間內(nèi)電流變化為h，即

在t2時(shí)間內(nèi)，同理可得

則開關(guān)周期為

那么開關(guān)頻率為

可見開關(guān)頻率和滯環(huán)寬度之間存在一定的關(guān)系，滯環(huán)寬度越小，輸出的電流越接近正弦波的參考電流，但隨之開關(guān)頻率增大，開關(guān)損耗也增大；滯環(huán)寬度越大，雖然可以使開關(guān)頻率低，但是輸出的電流誤差大，并且在滯環(huán)寬度一定的情況下，由于電網(wǎng)電壓是時(shí)刻變化的，那么由上式可得開關(guān)頻率也是大范圍變化的，這樣對(duì)逆變器的損害也是比較大的.通過電流誤差和誤差的變化率來預(yù)測(cè)環(huán)寬的變化值，通過引入模糊控制規(guī)則，控制環(huán)寬變化，可以使開關(guān)頻率變化范圍較小.

2 模糊滯環(huán)電流控制

傳統(tǒng)的電流滯環(huán)跟蹤控制算法的主要特點(diǎn)是滯環(huán)寬度的設(shè)定是固定的，導(dǎo)致開關(guān)頻率的不均勻變化，引起噪聲，并導(dǎo)致濾波器設(shè)計(jì)困難［5］.這里滯環(huán)電流通過模糊控制來實(shí)時(shí)改變滯環(huán)寬度，原理見圖2.

圖2 模糊滯環(huán)電流控制原理圖

通過電流誤差和誤差的變化作為模糊控制器的輸入，而模糊控制器的輸出是滯環(huán)寬度的變化值.具體步驟如下.

2.1 確定模糊控制器輸入和輸出變量的模糊子集及其論域的選擇

模糊控制器的輸入是電流誤差（E）和誤差的變化量（Ec），輸出是滯環(huán)寬度的變化量（Δh）.它們的論域?yàn)?/p>

理論上等級(jí)劃分越細(xì)，控制精度越高，但是計(jì)算量也會(huì)增大，所以模糊子集論域沒必要?jiǎng)澐值锰?xì).

2.2 確定模糊控制器輸入和輸出變量的隸屬度函數(shù)

常見的隸屬度函數(shù)有三角形、梯形、高斯型等，在這里選擇三角形作為隸屬函數(shù).對(duì)誤差E和誤差變量Ec取5個(gè)語言值負(fù)大（NB）、負(fù)小（NS）、零（Z）、正小（PS）、正大（PB），對(duì)Δh取三個(gè)語言值負(fù)（N）、零（Z）、正（P）.誤差和誤差變量所得隸屬函數(shù)見圖3.

2.3 確定模糊控制器的模糊控制規(guī)則

模糊控制器的核心是模糊控制規(guī)則，其表達(dá)形式一般用if（Eis…）and（Ecis…）THEN（his…）.

圖3 誤差及其變量隸屬函數(shù)圖

當(dāng)E＝NB，Ec＝NB，即電流誤差和誤差變化都為負(fù)大，在滯環(huán)寬度不變的情況下，由于誤差是在滯環(huán)邊界附近，誤差變化為負(fù)大則下一時(shí)刻要超過滯環(huán)邊界，所以這個(gè)時(shí)候要使滯環(huán)變化為最大，環(huán)寬增大，使電流始終在環(huán)寬以內(nèi).

當(dāng)E＝NB，Ec＝PB，即電流誤差為負(fù)小，誤差變化為正大，也就是下個(gè)時(shí)刻電流誤差增大，回到滯環(huán)寬度以內(nèi)，這種情況不需要Δh的控制，所以控制出現(xiàn)死區(qū).

按此總結(jié)出所有的控制規(guī)則，采用列表的方法（表1）.

表1 模糊控制規(guī)則表

2.4 模糊控制器輸出量的清晰化

通過系數(shù)加權(quán)平均法，用清晰值代替模糊值，以此控制滯環(huán)寬度.

3 系統(tǒng)仿真

通過模糊滯環(huán)控制建立的MATLAB仿真（圖4）.

在模糊變環(huán)寬基礎(chǔ)上搭建了三相并網(wǎng)逆變器的模塊，輸入電壓為640V，穩(wěn)壓電容為3 300μF，經(jīng)全橋逆變后，LCL濾波，濾波電感分別為1.6mH和4.7mH，濾波電容為13.8μF，再經(jīng)過10Ω電阻和1mH電感后并入電網(wǎng)中.確定如上參數(shù)后，逆變器輸出的電流和電網(wǎng)電壓在示波器中的波形（圖5），保持了電流和電壓頻率及相位的一致.

圖4 模糊滯環(huán)控制仿真圖

圖5 電網(wǎng)電壓與逆變器輸出電流波形圖

4 結(jié)論

本文在分析滯環(huán)電流法的基礎(chǔ)上，針對(duì)定滯環(huán)開關(guān)頻率過大，加入了模糊控制以控制環(huán)寬.通過電流誤差和誤差變化來達(dá)到實(shí)時(shí)改變環(huán)寬的目的.結(jié)果表明，加入模糊控制后開關(guān)頻率大范圍下降，諧波失真小，輸出電壓波形穩(wěn)定，從而逆變器的性能也得到一定的改善.

［1］崔容強(qiáng)，趙春江，吳達(dá)成.并網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：40－46.

［2］戴訓(xùn)江，晁 勤.光伏并網(wǎng)逆變器自適應(yīng)電流滯環(huán)跟蹤控制的研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（4）：13－17.

［3］林渭勛.現(xiàn)代電力電子技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：59－63.

［4］Chen Y，Slmdley K.A.cost－effective single－stage inverter with maximum，power point tracking［J］.IEEE Transaction on Power Electronics，2004，19（5）：1 289－1 294.

［5］劉鳳君.現(xiàn)代逆變技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006：75－84.