改進(jìn)滯環(huán)電流控制策略在光伏并網(wǎng)中的研究

馬小虎，袁曉玲，施俊華

（河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100）

改進(jìn)滯環(huán)電流控制策略在光伏并網(wǎng)中的研究

馬小虎，袁曉玲，施俊華

（河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100）

滯環(huán)電流控制已廣泛應(yīng)用于光伏并網(wǎng)逆變器技術(shù)中，由于固定環(huán)寬控制方式下功率開關(guān)器件開關(guān)頻率變化范圍較大，從而導(dǎo)致開關(guān)功率損耗增大，給濾波電路設(shè)計(jì)帶來不便。提出了一種具有PID功能的變形結(jié)構(gòu)模糊控制來實(shí)現(xiàn)變環(huán)寬滯環(huán)電流控制的方法，通過仿真研究該方法可以降低開關(guān)頻率變化范圍，提高電流跟蹤精度，THD值減小，諧波含量減少。

滯環(huán)電流控制；光伏并網(wǎng)逆變器；變結(jié)構(gòu)模糊控制；變環(huán)寬

目前隨著傳統(tǒng)化石油源的逐漸枯竭，以及能源與環(huán)境問題的日益突出，太陽能作為一種綠色能源，以其清潔、無污染、蘊(yùn)藏量巨大等優(yōu)點(diǎn)成為了國家大力推廣的新能源。

并網(wǎng)系統(tǒng)是由光伏陣列，BOOST電路、最大功率跟蹤模塊、直流穩(wěn)壓電容、逆變電路、濾波電路、電網(wǎng)組成。本文利用MATLAB/Simulink建立光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，用文獻(xiàn)[1]提出的滑?？刂苼韺?shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，逆變部分通過變結(jié)構(gòu)模糊控制技術(shù)來改變環(huán)寬，再經(jīng)過滯環(huán)控制器來控制開關(guān)管的通斷，從而實(shí)現(xiàn)逆變輸出電流和電網(wǎng)電壓同頻同相。由于在固環(huán)寬滯環(huán)控制中，當(dāng)環(huán)寬越大，開關(guān)頻率變化范圍較小，但電流跟蹤精度降低，THD值越大，諧波含量越高。當(dāng)環(huán)寬越小，電流跟蹤精度越高，THD值越小，諧波含量越少，但開關(guān)頻率變化范圍越大[2]。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于模糊控制理論實(shí)現(xiàn)變環(huán)寬的方法，較好地解決了頻譜特性不佳的問題，但由于環(huán)寬減小，開關(guān)頻率變化范圍沒有得到很好的改善。針對(duì)以上提出的問題本文提出了一種變結(jié)構(gòu)模糊控制的變環(huán)寬滯環(huán)控制可以降低開關(guān)頻率變化范圍，電流跟蹤精度高，THD值減小，諧波含量少。

1 固環(huán)寬電流滯環(huán)控制

圖1所示為單相光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和固環(huán)寬電流滯環(huán)控制的原理圖。由于開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于電網(wǎng)電壓頻率，因此在一個(gè)開關(guān)周期可以認(rèn)為電網(wǎng)電壓ug和參考電流ig保持恒定。設(shè)滯環(huán)寬度為H，則當(dāng)開關(guān)S1、S4導(dǎo)通時(shí)有[4]：

圖1 單相光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和固環(huán)寬電流滯環(huán)控制的原理圖

根據(jù)滯環(huán)比較器動(dòng)作條件可以得到開通時(shí)間為：

同理可以得到關(guān)斷時(shí)間為：

根據(jù)上面公式可得開關(guān)周期為

由上式可知當(dāng)滯環(huán)寬度固定時(shí)，功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率變化范圍較大。

2 變環(huán)寬滯環(huán)電流控制

由于固環(huán)寬電流滯環(huán)控制的開關(guān)頻率變化范圍較大從而給濾波電路的設(shè)計(jì)帶來很多不便。因此為了改善固定環(huán)寬電流滯環(huán)控制開關(guān)頻率變化范圍大的特點(diǎn)提出了一種變環(huán)寬滯環(huán)電流控制，可以通過電流誤差實(shí)時(shí)改變環(huán)寬從而改善開關(guān)頻率的變化范圍。

變環(huán)寬滯環(huán)電流控制原理是通過直流側(cè)電壓與參考電壓的差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器和PLL鎖相環(huán)獲得指令電流，然后將逆變器輸出電流和指令電流進(jìn)行比較，產(chǎn)生的電流誤差通過變結(jié)構(gòu)模糊控制產(chǎn)生相應(yīng)的環(huán)寬，再經(jīng)過滯環(huán)控制器將電流誤差與實(shí)時(shí)環(huán)寬進(jìn)行比較，來決定開關(guān)脈沖的時(shí)序，使逆變輸出電流上升或下降，從而實(shí)時(shí)的緊密跟蹤正弦指令電流。圖2所示為單相光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和變環(huán)寬電流滯環(huán)控制的原理圖。

圖2 單相光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和變環(huán)寬電流滯環(huán)控制的原理圖

3 變結(jié)構(gòu)模糊控制的實(shí)現(xiàn)

本文采用文獻(xiàn)[5]中的變結(jié)構(gòu)模糊控制器。在這個(gè)變形結(jié)構(gòu)中采用兩個(gè)模糊控制器，其中一個(gè)是最常見的具有PD功能的模糊控制器；一個(gè)是具有P功能的模糊控制器[5]。這種變結(jié)構(gòu)模糊控制器具有PID功能可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高穩(wěn)態(tài)精度。模糊控制器的輸出按兩種方式給出，一種模糊PD輸出量即為直接的控制量，另一種模糊P輸出量則是增量式。通過以上方式來實(shí)現(xiàn)環(huán)寬的變化。

模糊控制器的控制規(guī)則一般是根據(jù)專家控制規(guī)則提出的，而在控制過程中，人所能獲取的信息量基本為三個(gè)，即誤差、誤差的變化及誤差變化的變化量[4]。在本文中模糊控制器PD的輸入變量e和ec分別為電流的誤差值和電流誤差的變化量，輸出量是環(huán)寬H。模糊控制器P的輸入量為電流的誤差值，輸出量為環(huán)寬的變化值△h。當(dāng)三角形隸屬度函數(shù)為非均勻分布時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差較小，響應(yīng)更靈敏，曲線上升速度快，因此在實(shí)際控制系統(tǒng)中被廣泛采用。本文中模糊PD的輸入量采用非均勻分布方式，輸出量采用均勻方式。模糊P的輸入量和輸出量均采用非均勻分布方式。模糊PD的輸入量及模糊P的輸入量和輸出量的隸屬度函數(shù)如圖3所示。模糊PD的輸出量的隸屬度函數(shù)如圖4所示。

圖3 模糊PD的輸入量e，ec及模糊P的e，Δh隸屬度函數(shù)圖

圖4 模糊PD輸出量H的隸屬度函數(shù)圖

模糊控制器控制規(guī)則的形式可以用“If...Then...”語句表示，控制規(guī)則的選取直接關(guān)系到系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣，是模糊控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。模糊控制器的規(guī)則通常是總結(jié)專家經(jīng)驗(yàn)或經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)試湊、修改確定。表1為模糊PD規(guī)則表，表2為模糊P規(guī)則表。

表1 模糊PD規(guī)則表

表2 模糊P規(guī)則表

4 仿真結(jié)果分析

在MATLAB/Simulink平臺(tái)下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。光伏模塊的參數(shù)采用Vm=35.64 V，Im=2.81 A，Voc=42.84 V，Isc=3.14 A，BOOST電路中的電容電感分別為C1=4.7mF，L=0.1mH，濾波電路中的電感電容分別為L1=8mH，C2=2μF，電網(wǎng)內(nèi)阻R1= 1Ω，仿真時(shí)間為0.5 s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析驗(yàn)證了帶有變結(jié)構(gòu)模糊控制的變環(huán)寬滯環(huán)電流控制能降低開關(guān)頻率變化范圍，電流跟蹤精度高，且THD值減小，諧波含量減少。光伏并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓波形仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 光伏并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓波形圖

圖5仿真結(jié)果表明在0.05 s電網(wǎng)的輸入電流是與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦波，功率因數(shù)近似為1，因此利用變結(jié)構(gòu)模糊控制來改變環(huán)寬的電流滯環(huán)控制可以較好地使逆變器輸出電流和電網(wǎng)電壓同頻同相，從而實(shí)現(xiàn)安全并網(wǎng)。

將固定環(huán)寬H=1和H=2時(shí)的電流跟蹤效果與變環(huán)寬的電流跟蹤效果進(jìn)行比較，圖6所示為光伏并網(wǎng)電流跟蹤波形圖。

圖6 光伏并網(wǎng)電流跟蹤波形圖

通過圖6可以看出帶變結(jié)構(gòu)模糊控制的可變環(huán)寬的方法得出的電流跟蹤波形幾乎接近于H=1時(shí)的跟蹤波形，其電流峰值到電流過零點(diǎn)時(shí)的毛刺比H=2時(shí)的毛刺要小，從而電流跟蹤精度要高，因此通過這種變環(huán)寬的方法可以提高電流跟蹤精度。

將固定環(huán)寬H=1和H=2時(shí)的開關(guān)頻率與變環(huán)寬的開關(guān)頻率進(jìn)行比較，圖7所示為S1，S4開關(guān)信號(hào)的脈沖波形圖。

圖7 S1,S4開關(guān)信號(hào)脈沖波形圖

通過圖7可以看出帶變結(jié)構(gòu)模糊控制的可變環(huán)寬的方法得出的開關(guān)頻率幾乎接近于H=2時(shí)的開關(guān)頻率，比H=1時(shí)的開關(guān)頻率要低。因此通過這種變環(huán)寬的方法可以減小開關(guān)頻率變化范圍，從而減少開關(guān)損耗。

將固定環(huán)寬H=1和H=2時(shí)的諧波分析效果與變環(huán)寬的諧波分析效果進(jìn)行比較，圖8所示為并網(wǎng)電流諧波分析圖。

圖8 光伏并網(wǎng)電流的諧波分析圖

通過圖8可以看出帶變結(jié)構(gòu)模糊控制的可變環(huán)寬方法的THD值，諧波含量幾乎接近于H=1時(shí)候，比H=2時(shí)的THD值要小，諧波含量少。因此通過這種變環(huán)寬的方法可以減小總諧波畸變率，減少諧波含量，從而提高輸出電流的正弦度，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)并網(wǎng)。

綜上所述，經(jīng)過比較可以得到帶變結(jié)構(gòu)模糊控制的可變環(huán)寬的方法可以降低開關(guān)頻率的變化范圍，提高電流的跟蹤精度，總諧波畸變率降低，諧波含量減少。

5 結(jié)論

本文研究了一種基于變結(jié)構(gòu)模糊控制的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)滯環(huán)電流控制方法，采用電流誤差和電流誤差變化量作為模糊PD的輸入量，采用電流誤差作為模糊P的輸入量，經(jīng)過模糊控制輸出實(shí)時(shí)改變環(huán)寬，從而達(dá)到了對(duì)并網(wǎng)電流的有效控制。該方法能夠很好地使電網(wǎng)電壓和逆變輸出電流同頻同相，降低開關(guān)頻率變化范圍，減少裝置開關(guān)損耗，提高了電流跟蹤精度，THD值減小，諧波含量減少，從而實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)并網(wǎng)。

[1] 張淼，吳捷.滑模技術(shù)在PV最大功率追蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20(3)：90-93.

[2]RAHMAN M A,RADWAN T S,OSHEIBA AM,etal.Analysisof current controllers for voltage-source inverter[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1997,44(4):477-485.

[3] 王恒利，鞠志忠.模糊控制理論在電流滯環(huán)控制技術(shù)中的應(yīng)用[J].空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009,23（2）：113-115.

[4] 孫孝峰.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.

[5] 李國勇.智能控制及其MATLAB實(shí)現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[6] 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[7] POULSE S,M ICHAEL A,ANDERSEN E.Hysteresis controller with constant switching frequency[J].IEEE Trans on Consumer Electronics,2005,51(2):688-693.

Improved hysteresis currentcontrolscheme for photovoltaic grid-connected system

MA Xiao-hu,YUAN Xiao-ling,SHIJun-hua
(College of Energy and Electrical Engineering,HohaiUniversity,Nanjing Jiangsu 211100,China)

Hysteresis current control system has been widely used in PV grid-connected inverter technology.For a wide range of switch frequency of power switching device in fixed-band control mode,it can increase the loss of switch power and can bring inconvenience of filter circuit. A method was proposed that variable structure fuzzy control which has the PID function was used to realize variable-band hysteresis current control. Through the simulation, the method can reduce the range of switch frequency, improve the current tracking precision, and decrease the THD value and harmonic content.

hysteresis current control;PV grid-connected invert;variable structure fuzzy control;variable-band

TM 464

A

1002-087 X(2013)11-2019-04

2013-04-02

馬小虎（1988—），男，江蘇省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。