基于模糊PI控制的雙向變流器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

袁凱， 胡平， 張志濤

(1.長安大學(xué) 電控學(xué)院，陜西 西安 710000；2.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

0 引 言

近些年來，霧霾問題日趨嚴(yán)重，由光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電為主體的分布式電源得到了前所未有的關(guān)注。隨著清潔能源份額的不斷提高，區(qū)域能源自制的需求也越來越受到重視，基于分布式能源的智能微電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)也如火如荼。微電網(wǎng)系統(tǒng)就是由分布式電源、負(fù)荷用電、儲能裝置和監(jiān)控系統(tǒng)四部分組成，是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、自我管理和自我保護(hù)的自治系統(tǒng)[1-2]，通過微電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，加入儲能變流系統(tǒng)，來調(diào)節(jié)并網(wǎng)測的電壓與頻率[3-4]。本文通過分析一種單極性雙向儲能變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理，提出了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在不同狀態(tài)下的控制策略，采用雙環(huán)解耦與模糊PI控制器結(jié)合的控制方法，實(shí)現(xiàn)了智能微電網(wǎng)系統(tǒng)并離網(wǎng)切換時(shí)電網(wǎng)電壓和電流的穩(wěn)定性。

1 雙向儲能變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

雙向儲能變流器是(Power Convertor System, PCS)連接蓄電池系統(tǒng)與交流母線之間的DC/AC逆變器，可以進(jìn)行能量的傳輸與電能方式的改變[5]。蓄電池儲存的是直流電，無法直接連接到電網(wǎng)上，它是通過DC/AC逆變器與SPWM控制單元完成電能雙向轉(zhuǎn)換。儲能變流柜的三相全橋變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，蓄電池接口側(cè)為直流側(cè)，電網(wǎng)接口側(cè)為交流側(cè)，兩側(cè)通過逆變電路、變壓器、濾波器實(shí)現(xiàn)DC/AC轉(zhuǎn)換[6-7]。如圖1所示。

圖1 三相全橋變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 儲能變流器系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)

良好的控制策略是維持儲能系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵，儲能變流器原理上相當(dāng)于逆變器，需要保持母線上的電壓與功率穩(wěn)定[8-9]。對于不同類型的分布式電源，不同類型的儲能設(shè)備，實(shí)際上就是對電力電子變流器接口的控制。微電網(wǎng)雙向儲能變流器的控制策略主要有恒壓定頻控制策略與恒功率控制策略[10]。

2.1 并網(wǎng)P/Q控制策略

恒功率控制策略是微電網(wǎng)并網(wǎng)模式下的各個(gè)微源的控制策略[11-12]，采用的是電網(wǎng)電壓定性的P/Q解耦控制策略，其中外環(huán)為功率控制，內(nèi)環(huán)為電流控制[13]。其數(shù)學(xué)模型是首先將三相電壓通過Park變換方法變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q軸上，得到逆變器電壓方程如式1所示。

(1)

式中:vd，vq為逆變器出口電壓；ωLiq,ωLid為d-q交叉耦合項(xiàng)。最后，通過新增的補(bǔ)償環(huán)節(jié)就可以減小電網(wǎng)上的電壓與d-q軸交叉耦合的影響和對電流的解耦控制。得到的d-q軸電壓通過Park反變換得到逆變器控制波，在經(jīng)過正弦脈寬調(diào)制后即可得到逆變器輸出的三相電壓。

2.2 基于下垂控制的孤島U/F控制策略

逆變器U/F控制策略[14-15]，是微電網(wǎng)主從控制模式下的一種控制策略，在微電網(wǎng)實(shí)時(shí)孤島運(yùn)行狀態(tài)，可以提供穩(wěn)定的電壓和恒定的頻率。與P/Q控制一樣都采用雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)采用電流控制，外環(huán)則采用電壓控制。電流內(nèi)環(huán)可以利用反饋機(jī)制構(gòu)成電流隨動(dòng)系統(tǒng)，從而更加有效地降低干擾的影響，大大地增加了變流器節(jié)制系統(tǒng)的帶寬，減少了輸出電壓的諧波含量和逆變器的響應(yīng)時(shí)間，加強(qiáng)了抗干擾能力。外環(huán)的電壓環(huán)節(jié)則保證穩(wěn)定的電壓輸出，提高了動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定了系統(tǒng)精度。

2.3 基于下垂特性的模糊PI控制器

微電網(wǎng)在不同的工況下采用不同的控制策略，在不同模式下的切換會存在著電壓控制模式和電流控制模式的交互切換。為了防止切換時(shí)的電壓突變問題導(dǎo)致的系統(tǒng)崩潰現(xiàn)象，基于原有的微電網(wǎng)控制系統(tǒng)中的電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)的控制策略中，在電壓外環(huán)處增添模糊PI控制器。一方面調(diào)節(jié)并離網(wǎng)轉(zhuǎn)換時(shí)電壓的突然變化導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定，保證模式間的平穩(wěn)過渡。另一方面可以穩(wěn)定負(fù)載端電壓，提髙負(fù)載電壓的穩(wěn)態(tài)精度同時(shí)，為電流內(nèi)環(huán)的輸入提供參考信號。

模糊 PI 控制器環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，按照設(shè)計(jì)模糊PI控制器的步驟來進(jìn)行對控制器的設(shè)計(jì)，其中控制器的初始參數(shù)選用經(jīng)典的Ziegler-Nichols方法求取。結(jié)合實(shí)際工程中的應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)原理，選取微電源逆變器的輸出電壓誤差e和誤差變化率ec作為本文所設(shè)計(jì)的模糊PI控制器的雙輸入，來達(dá)到不同時(shí)刻e、ec改變時(shí)控制器實(shí)現(xiàn)參數(shù)自調(diào)節(jié)與分配的目的?？刂破魍ㄟ^進(jìn)行模糊推理和運(yùn)算就可以解得當(dāng)前時(shí)刻的控制參數(shù) Δkp、Δki，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自整定，如式(2)所示。

(2)

設(shè)定相對應(yīng)的輸入輸出語言變量，其論域區(qū)間為{-2,-1 ,0,1,2}，語 言 值 為 { NB , NS ,0, PS , PB } 分 別 表 示{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大} 。微電源逆變器輸出端電壓偏差以及偏差變化率都是具有實(shí)際意義的物理量，模糊PI控制器設(shè)定的模糊論域可能與其實(shí)際論域范圍不符，因此需要將電壓偏差和其偏差的變化率進(jìn)行相應(yīng)的處理才能作為控制器的輸入。因此在工程應(yīng)用中引入偏差量化因子、偏差量化率因子來實(shí)現(xiàn)輸入量的轉(zhuǎn)換，使其實(shí)際論域在模糊控制器論域范圍內(nèi)，這樣隸屬度函數(shù)才可以找到與之相對應(yīng)的語言變量來進(jìn)行描述，才能被控制器識別并且產(chǎn)生有效的控制策略。模糊控制器設(shè)計(jì)的核心是結(jié)合微電源逆變系統(tǒng)的特點(diǎn)并和工程設(shè)計(jì)人員實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊規(guī)則。在確定輸入量e和ec相應(yīng)的語言值后，根據(jù)建立好的模糊控制規(guī)則表，經(jīng)過模糊推理得出修正量Δkp、Δki的模糊子集。如表1、表2所示。

表1 Δkp模糊控制規(guī)則表

表2 Δki模糊控制規(guī)則表

解模糊過程是將模糊控制量轉(zhuǎn)化為精準(zhǔn)量的過程，模糊控制器通過推理得到的輸出量是一個(gè)模糊量，無法直接參加設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行解模糊過程，將輸出值規(guī)定在一定范圍內(nèi)，并在其中確定一個(gè)最優(yōu)值來作為控制輸出量。本設(shè)計(jì)采用重心法進(jìn)行解模糊控制，輸出控制量的精確值的求取方法如式(3)所示。

(3)

3 試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)基于模糊PI 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)對微電網(wǎng)不同運(yùn)行工況下的控制性能，基于以上原理，搭建了50 kW鉛酸電池雙向儲能變流器硬件樣機(jī)，控制單元采用DSP控制芯片。蓄電池組為鉛酸電池組，由24塊12 V電池串聯(lián)而成。雙向變流器系統(tǒng)主要參數(shù)：額定輸出功率50 kW，最大直流電流282 A，允許電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍310 V～450 V，獨(dú)立逆變峰值系數(shù)(CF)為3∶1。與組態(tài)軟件通信方式為以太網(wǎng)與RS485。分別對微電網(wǎng)孤島模式運(yùn)行和并網(wǎng)模式運(yùn)行、微電網(wǎng)孤島運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行之間模式切換的運(yùn)行情況進(jìn)行試驗(yàn)分析。

圖2 并網(wǎng)實(shí)時(shí)電壓圖

圖2所示為在并網(wǎng)情況下，雙向儲能變流器處在恒壓模式下儲能單元實(shí)時(shí)電壓圖。曲線1為直流電壓。從圖中可以看出，在并網(wǎng)模式下，儲能變流器控制采用P/Q雙環(huán)控制，在大電網(wǎng)的影響下，儲能單元功率、電壓十分穩(wěn)定，趨于水平線。此時(shí)電網(wǎng)電壓提供穩(wěn)定的電壓與頻率，因此驗(yàn)證了試驗(yàn)機(jī)并網(wǎng)狀況下P/Q策略的穩(wěn)定性。

圖3 孤島實(shí)時(shí)電壓圖

圖4 并離網(wǎng)切換電壓圖

圖5 并離網(wǎng)切換電流圖

圖6 模糊控制調(diào)節(jié)后電壓圖

圖7 模糊控制調(diào)解后電流圖

圖3是手動(dòng)情況下并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)時(shí)儲能單元實(shí)時(shí)電壓圖。此時(shí)沒有電網(wǎng)接入，整個(gè)微網(wǎng)系統(tǒng)由蓄電池組作為主控單元，由于大電網(wǎng)的撤離，并且光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電的電能不穩(wěn)定性，電壓與電流有個(gè)小幅度變化，主控單元控制策略由P/Q控制變?yōu)閁/F控制，儲能系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓與頻率，維持整個(gè)微網(wǎng)的穩(wěn)定電壓，幾秒后趨于新的穩(wěn)定狀態(tài)，徹底實(shí)現(xiàn)了孤島運(yùn)行。

當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)。當(dāng)檢測到電網(wǎng)故障清除后，系統(tǒng)重新連入并網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無縫切換技術(shù)，可以有效地保證用電安全與質(zhì)量。為了更好地進(jìn)行策略的比較，分別進(jìn)行了傳統(tǒng)控制策略與添加模糊PI控制器的新型控制策略。圖4為微電網(wǎng)在并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運(yùn)行下的傳統(tǒng)實(shí)時(shí)電壓圖，圖5是傳統(tǒng)實(shí)時(shí)電流圖。從試驗(yàn)效果圖可以看出，在離網(wǎng)切換至孤島運(yùn)行模式下時(shí)，電壓與電流峰值較大，對電網(wǎng)與設(shè)備有著較大沖擊。容易對電氣設(shè)備產(chǎn)生危害，并造成安全隱患。

圖6為微電網(wǎng)由并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運(yùn)行下的改進(jìn)后的實(shí)時(shí)電壓圖，圖7是改進(jìn)后的實(shí)時(shí)電流圖。由于模糊PI控制器的調(diào)節(jié)，電壓峰值與電流峰值明顯降低，變化趨于平穩(wěn)，對設(shè)備損害沖擊較小，試驗(yàn)證明模糊PI控制策略可以更好地保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，電流與電壓波動(dòng)畸變小，可以快速響應(yīng)電網(wǎng)變化，滿足控制要求。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了單極性雙向儲能變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比較了傳統(tǒng)的P/Q與U/F控制，并在此基礎(chǔ)上提出了模糊PI控制器的概念，在并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島時(shí)可以很好地控制電壓穩(wěn)定，不會出現(xiàn)極端峰值電壓的情況，使得切換更加穩(wěn)定與安全，在此基礎(chǔ)上搭建了硬件平臺，試驗(yàn)效果表明該控制策略可以很好地應(yīng)用在工程實(shí)踐。