電流型并網(wǎng)逆變器的模糊滯環(huán)控制

黃少輝，林培杰，程樹英，孫占東

（福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院微納器件與太陽能電池研究所，福建福州350108）

電流型并網(wǎng)逆變器的模糊滯環(huán)控制

黃少輝，林培杰，程樹英，孫占東

（福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院微納器件與太陽能電池研究所，福建福州350108）

為改善滯環(huán)控制應(yīng)用在并網(wǎng)逆變器中會出現(xiàn)系統(tǒng)開關(guān)頻率不固定的問題，提出一種將模糊控制器與滯環(huán)比較器相結(jié)合的控制方法。通過對并網(wǎng)逆變器的建模和滯環(huán)電流控制原理的分析，可知開關(guān)頻率與滯環(huán)環(huán)寬之間的關(guān)系。以電網(wǎng)電壓及指令電流的偏微分為輸入變量建立模糊控制規(guī)則，經(jīng)過一定的模糊運(yùn)算輸出滯環(huán)環(huán)寬，從而動態(tài)地控制環(huán)寬達(dá)到穩(wěn)定頻率的目的。該方法能有效地降低開關(guān)頻率，減小電流諧波。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法對穩(wěn)定滯環(huán)開關(guān)頻率是有效的，尤其是在過零點(diǎn)與頂點(diǎn)處，同時能夠改善諧波特性。

并網(wǎng)逆變器；模糊控制；電流滯環(huán)；固定開關(guān)頻率

0 引言

光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電是新能源發(fā)電領(lǐng)域的兩種主要發(fā)電方式，充分地利用這些電能，將其輸送給電網(wǎng)需要的關(guān)鍵技術(shù)就是并網(wǎng)逆變器[1]。逆變器在并網(wǎng)時，需控制其輸出電流與電網(wǎng)電壓同相位，以免給電網(wǎng)帶入諧波，污染電網(wǎng)[2]。電流滯環(huán)控制由于其無條件的穩(wěn)定性、響應(yīng)的快速性、不需要系統(tǒng)的任何參數(shù)信息、很好的控制精度及實(shí)現(xiàn)簡單等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于并網(wǎng)逆變器控制。但是，滯環(huán)控制最大的問題是其開關(guān)頻率高且不穩(wěn)定，使得逆變器輸出頻譜特性不理想，輸出濾波器設(shè)計(jì)較難及體積重量偏大，噪聲較大等[3]。為此，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種改進(jìn)方法來解決這一問題[1，4-9]。參考文獻(xiàn)[6]通過鎖相跟蹤給定時鐘的頻率，對開關(guān)頻率進(jìn)行反饋閉環(huán)控制，達(dá)到固定開關(guān)頻率的目的，該方法由于一般涉及復(fù)雜的鎖相環(huán)節(jié)，實(shí)際工程中應(yīng)用難度較大。參考文獻(xiàn)[7]提出一種滯環(huán)寬度預(yù)測方法，根據(jù)對前一電流誤差周期作幾何分析而確定下一周期的滯環(huán)寬度，保持開關(guān)頻率穩(wěn)定。它可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，但輸出電流的低次諧波含量較高，且存在穩(wěn)態(tài)誤差。本文在滯環(huán)電流控制基礎(chǔ)上提出一種基于模糊控制的滯環(huán)電流控制方法。該控制方法保持了模糊控制不依賴被控對象的精確模型，抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，并對系統(tǒng)參數(shù)的變化有較強(qiáng)的魯棒性，能夠?qū)崿F(xiàn)對電流的快速跟蹤和對開關(guān)頻率的限制，避免了過高的開關(guān)頻率對開關(guān)器件的損害及有效地減小開關(guān)損耗。

1 滯環(huán)電流型并網(wǎng)逆變器原理

圖1為單相滯環(huán)電流型并網(wǎng)逆變器原理圖，直流源可以是太陽能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電設(shè)備或者是蓄電池，逆變器負(fù)載為公共交流電網(wǎng)（220 V/50 Hz）。滯環(huán)控制應(yīng)用于控制逆變器并網(wǎng)電流，易于實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)電壓頻率和相位的實(shí)時跟蹤，響應(yīng)迅速且穩(wěn)定性好。在圖1中，由相位檢測環(huán)節(jié)得到的同步信號與并網(wǎng)電流的給定幅值一起送往正弦波發(fā)生器，生成與電網(wǎng)電壓同頻同相的參考電流信號再經(jīng)滯環(huán)比較器對并網(wǎng)電流反饋信號ig與的偏差Δig進(jìn)行調(diào)制得到開關(guān)管控制信號，從而可以控制并網(wǎng)電流。滯環(huán)比較器的工作原理為：電流參考信號與實(shí)際電流信號ig進(jìn)行比較，作為滯環(huán)控制器的輸入，當(dāng)ig＜-h時（2h為滯環(huán)寬度），滯環(huán)比較器輸出高電平信號，S1、S4導(dǎo)通，系統(tǒng)輸入側(cè)電流增加；當(dāng)ig＞-h時，滯環(huán)比較器輸出低電平信號，S2、S3導(dǎo)通，系統(tǒng)輸入側(cè)電流減小，這樣不斷進(jìn)行逐次比較調(diào)節(jié)，保證始終跟蹤給定電流，且處于滯環(huán)帶內(nèi)[10]。

圖1 滯環(huán)電流型并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)圖

由圖1的結(jié)構(gòu)圖及參考文獻(xiàn)[2]可得式（1）：為開關(guān)頻率；Udc為直流側(cè)電壓；Vg為電網(wǎng)電壓；i*為指令電流；L為電感系數(shù)。

當(dāng)滯環(huán)寬度固定時，功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率fc是變量，與相關(guān)。對于并網(wǎng)逆變器，Udc和電感L一般是固定不變的。當(dāng)HB為固定值時，開關(guān)頻率fc只與值相關(guān)，而Vg是電網(wǎng)的電壓，是一個時變的正弦波，也是一個時變的變量，所以在一個開關(guān)周期內(nèi)，開關(guān)管的開關(guān)頻率伴隨著變化而變化。由于開關(guān)的頻率不固定，導(dǎo)致滯環(huán)并網(wǎng)逆變器在開關(guān)器件選擇、濾波參數(shù)設(shè)計(jì)及熱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)等方面都存在許多問題。因此，在大功率電力變化中其應(yīng)用有限，并且從式（1）可以看出，要計(jì)算滯環(huán)的寬度是相當(dāng)復(fù)雜的，對于并網(wǎng)逆變器來說直接計(jì)算基本上是不可能的。

2 模糊控制算法及實(shí)現(xiàn)

并網(wǎng)控制中的滯環(huán)是非線性環(huán)節(jié)，而模糊控制器有理想的動態(tài)性能，對系統(tǒng)的過程參數(shù)變化不敏感，有很強(qiáng)的魯棒性，由此設(shè)計(jì)一種加入模糊算法控制環(huán)寬可變的并網(wǎng)逆變控制器。

為了解決傳統(tǒng)方法開關(guān)頻率變化大的問題，滯環(huán)的環(huán)寬被設(shè)計(jì)成是動態(tài)可變的，模糊控制能夠克服非線性因素引起的一些影響。所以這種并網(wǎng)控制系統(tǒng)不僅有模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，如靈活、自適應(yīng)等，而且有滯環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)，如精度高、反應(yīng)速度快。

從前面的分析可知，模糊控制的輸入包括兩部分：電網(wǎng)電壓和參考電流的變化率，輸出為直接控制量滯環(huán)寬度HB。圖2為模糊控制的原理框圖，這是一個二維輸入、一維輸出的PD型模糊控制器。

圖2 模糊可變環(huán)寬滯環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

首先將輸入輸出模糊化，將參考電流變化率、電網(wǎng)電壓分為7個模糊子空間{NL、NM、NS、ZR、PS、PM、PL}，代表{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大}。滯環(huán)寬度HB的模糊子空間為{H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7}，其中H1＜H2＜H3＜H4＜H5＜H6＜H7，本方案中，Vg的基本基本論域?yàn)閇-1，1]，HB的基本論域?yàn)閇0，1]。為確保模糊參數(shù)調(diào)節(jié)器有較高的靈敏度，隸屬度函數(shù)的形狀選擇為非均勻分布的三角形隸屬函數(shù)，相對于梯形隸屬函數(shù)，其超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差比較小；并且與均勻分布方式相比，其系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差小，響應(yīng)更靈敏，曲線上升速度快。隸屬度函數(shù)分別如圖3所示。模型中的模糊推理合成規(guī)則遵循極大極小合成規(guī)則，并采用Mamdani型模糊推理算法。

圖3 模糊控制輸入輸出控制

本文有兩個模糊輸入變量和一個模糊輸出變量，每個變量對應(yīng)有7個模糊語言子集，所以一共有49條模糊控制規(guī)則。根據(jù)式（1）求出的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)寬的變化規(guī)律總結(jié)出模糊控制規(guī)則，輸入到模糊控制器中，并經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)試湊、修改、驗(yàn)證，可得到如表1所示的模糊規(guī)則表，控制器的曲面觀察如圖4所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

圖4 模糊控制器的曲面觀察圖

3 仿真驗(yàn)證

使用MATLAB/SIMULINK搭建了一個單相電流型并網(wǎng)逆變器的仿真模型，仿真參數(shù)采用單相交流電壓Vg= 220 V/50 Hz，直流電壓Udc=350 V，電感值L=10 mH；輸出電流峰值為6 A，給定頻率fc=10 kHz，仿真時間為0.4 s。

當(dāng)滯環(huán)寬度HB固定為0.5 A時，輸出的電流波形如圖5（a）所示；當(dāng)滯環(huán)寬度HB固定為1 A時，輸出的電流波形如圖5（b）所示；當(dāng)滯環(huán)寬度不固定時，應(yīng)用模糊控制算法，可得到輸出電流波形如圖5（c）所示。可以看出，當(dāng)滯環(huán)寬度固定時，環(huán)寬大，則頻率小，環(huán)寬小，則頻率高，且在峰值處頻率最低，在過零點(diǎn)處頻率最高。而模糊控制滯環(huán)的寬度隨著輸出電流的相位角變化而變化，在過零點(diǎn)滯環(huán)的寬度最寬，頻率下降，在電流峰值滯環(huán)寬度值變窄，輸出頻率升高，從而保持電流的頻率穩(wěn)定，符合理論。FFT變換可得到固定環(huán)寬的頻率分布較寬，而采用模糊控制的可變環(huán)寬的頻率分布則主要集中在10 kHz附近，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6中虛線為根據(jù)式（1）求得的標(biāo)準(zhǔn)滯環(huán)寬度，實(shí)線為模糊控制求出的滯環(huán)環(huán)寬，可以看出兩者基本上一致，環(huán)寬范圍在0.2 V~0.9 V之間，所以可以保證輸出的電流能夠跟蹤電網(wǎng)電壓相位并且電流頻率基本上保持一致。

圖5 并網(wǎng)電流波形

圖6模糊控制與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)寬的對比

圖7 為并網(wǎng)電流FFT分析結(jié)果。由前面分析可知，滯環(huán)環(huán)寬越小，輸出的電流波形也越接近于電壓波形；波形越好，總諧波畸變率也越小。所以，當(dāng)滯環(huán)環(huán)寬固定為HB=0.5 A時，總諧波畸變率THD=1.72%，達(dá)到最小，諧波主要分布在5 kHz~20 kHz，范圍很寬，且均勻分布；當(dāng)滯環(huán)環(huán)寬固定為HB=1 A時，THD=4.77%，達(dá)到最大，諧波主要分布在2 kHz~15 kHz；當(dāng)用模糊控制可變環(huán)寬時，THD=3.15%，較小，諧波主要集中在10 kHz附近，頻率大大減小，與理論結(jié)果一致。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

研制了一臺并網(wǎng)逆變器進(jìn)行驗(yàn)證。逆變器采用單極性SPWM調(diào)制方式，采用TMS320F28035作為主控芯片，其他器件參數(shù)與仿真值一致，將算法轉(zhuǎn)換為DSP控制程序，額定輸出電流峰峰值為4 A。

圖7 電流頻譜FFT分析

如圖8所示，電壓每格100 V，電流每格為2 A，電流的相位與電網(wǎng)電壓一致，觀察開關(guān)管的波形可以看到開關(guān)頻率fc=10 kHz基本保持不變。與固定環(huán)寬的波形相比較，電流在過零點(diǎn)變化幅度最寬，在電流峰值變化幅度較窄，與仿真結(jié)果一致。電流波形在CCS中進(jìn)行FFT分析得到的頻譜圖也與仿真結(jié)果一致，模糊控制算法的結(jié)果諧波主要集中在10 kHz，THD也較小。

圖8 模糊控制的并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓波形

5 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)固定滯環(huán)應(yīng)用于并網(wǎng)逆變器所產(chǎn)生的頻率不固定的問題，提出了一種模糊滯環(huán)控制方法。通過模糊控制器對滯環(huán)的環(huán)寬進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，從而能夠有效地穩(wěn)定開關(guān)頻率。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，模糊控制環(huán)寬與固定滯環(huán)環(huán)寬在電流跟蹤效果上是一致的，都能實(shí)現(xiàn)快速跟蹤。兩種控制方法主要的不同點(diǎn)在于，模糊控制方法與傳統(tǒng)的固定環(huán)寬的滯環(huán)控制方法相反，具有瞬時的頻率固定。通過模糊控制輸出滯環(huán)的環(huán)寬，穩(wěn)定了開關(guān)頻率，降低了功率管開關(guān)損耗，使得并網(wǎng)逆變器

性能提高。本方法對于諧波消除和電子開關(guān)保護(hù)有重要

意義。

[1]鄒曉，易靈芝，張明和，等．光伏并網(wǎng)逆變器的定頻滯環(huán)電流控制新方法[J]．電力自動化設(shè)備，2008，28（4）：58-62．

[2]SHARIFIAN B M，RAHNAVARD R，EBRAHIMI Y.Variable hysteresis band current controller of shuntactive filter based fuzzy logic theory under constant switching frequency[J]. International Journal of Computer and Electrical Engineering，2009，1（2）：236-244.

[3]邱曉初，肖建，劉小建．一種APF模糊自適應(yīng)可變環(huán)寬滯環(huán)控制器[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（7）：73-77．

[4]戴訓(xùn)江，晁勤．單相光伏并網(wǎng)逆變器固定滯環(huán)的電流控制[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（20）：12-17．

[5]楊旭，王兆安．一種新的準(zhǔn)固定頻率滯環(huán)PWM電流控制方法[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2003，18（3）：24-28．

[6]BUSO S，F(xiàn)ASOLO S.A dead-beat adaptive hysteresis current control[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2000，36（4）：1174-1180.

[7]曾春保，陳道煉．性能優(yōu)良的電流型控制逆變電源[J]．電力電子技術(shù)，2008，42（2）：38-39．

[8]KARUPPANAN P，MAHAPATRA K.PI and fuzzy logic controllers for shunt active power filter[J].ISA Transactions，2012，51（1）：163-169.

[9]Liu Xinyang，Wang Jie，Yao Gang.A novel hysteresis current control strategy with fuzzy bandwidth for active power filter[J].Electronics and Electrical Engineering，2012，120（4）：3-8.

[10]孫孝峰，顧和榮，王立喬，等．高頻開關(guān)型逆變器及其并聯(lián)并網(wǎng)技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011．

Current source grid connected inverter using fuzzy hysteresis technologies

Huang Shaohui，Lin Peijie，Cheng Shuying，Sun Zhandong
（Institute of Micro-Nano Devices and Solar Cells，School of Physics and Information Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China）

In order to improve the main shortcomings of hysteresis band control used in grid connected inverter where the switch frequency is not fixed，a new method that hysteresis comparator combined with fuzzy controler is proposed.By modeling the grid connected inverter and analyzing the principle of hysteresis current control，we have revealed that the switch frequency is closely related to the width of the hysteresis loop.We make grid voltage and the partial differential of instruction current as input variables to establish the fuzzy control rules.After some fuzzy arithmetic outputing hysteresis band.The switching frequency is stabilized by regulating the width of the hysteresis dynamically.The method has a high performance in reducing the current harmonics and decreasing the switching frequency.The simulation and experiment results demonstrate that this method is feasibility on stable hysteresis switching frequency，especially in zero crossing point and top point，meanwhile it can improve the harmonic characteristic.

grid connected inverter；fuzzy control；current hysteresis；fixed switch frequency

TM464

A

1674-7720（2015）13-0073-04

2015-02-15）

黃少輝（1988-），男，碩士，主要研究方向：電源技術(shù)與太陽能發(fā)電。

林培杰（1982-），男，碩士，講師，主要研究方向：新能源與物聯(lián)網(wǎng)。

程樹英（1966-），女，博士，博士生導(dǎo)師，教授，主要研究方向：光電薄膜材料與器件、新型化合物薄膜太陽電池、光伏系統(tǒng)及應(yīng)用。