李 誠(chéng)，陳定輝，凃 勇，楊少智，付文雯，曾成碧

(1. 國(guó)網(wǎng)四川電力公司涼山供電公司，四川西昌 615000；2. 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610065)

基于模糊PI控制算法的微電網(wǎng)并網(wǎng)控制策略研究

李 誠(chéng)1，陳定輝1，凃 勇1，楊少智1，付文雯2，曾成碧2

(1. 國(guó)網(wǎng)四川電力公司涼山供電公司，四川西昌 615000；2. 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610065)

由于微電網(wǎng)的逆變輸出波形和功率因數(shù)效果不理想，本文提出了基于模糊PI控制的雙閉環(huán)微電網(wǎng)并網(wǎng)逆變控制策略，結(jié)合了模糊控制和PI控制的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制。仿真結(jié)果表明，新控制策略控制性能良好:并網(wǎng)電流和大電網(wǎng)電壓保持同相位，并網(wǎng)功率因數(shù)較高，并網(wǎng)電流最大諧波畸變率降低，濾波效果非常理想。

模糊PI控制；微電網(wǎng)；雙閉環(huán)控制；并網(wǎng)逆變器

0 引 言

微電網(wǎng)是有效利用可再生能源的措施之一，微電網(wǎng)并入大電網(wǎng)才能保證供電可靠性[1]，良好的逆變控制策略是微電網(wǎng)電能質(zhì)量的保證[2-4]。采用LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)控制技術(shù)輸出電壓波形較好[5-6]。本文結(jié)合模糊控制與PI控制，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的逆變器雙閉環(huán)控制。

1 微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行模式

微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行就是通過(guò)公共連接點(diǎn)與大電網(wǎng)連接，如圖1所示，與外部電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，并網(wǎng)電壓受大電網(wǎng)鉗制而不變。單相并網(wǎng)逆變器把微電源輸出的直流電轉(zhuǎn)換成滿足系統(tǒng)要求的交流電，經(jīng)過(guò)LCL濾波器，改善電能質(zhì)量，接入外部電網(wǎng)，微電網(wǎng)也為自身的交流負(fù)荷供電。微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)采集并網(wǎng)電流作為控制信號(hào)，控制器的輸出信號(hào)再經(jīng)過(guò)高頻脈寬調(diào)制(PWM)對(duì)并網(wǎng)逆變器進(jìn)行控制，在保證輸出高功率因數(shù)的同時(shí)，使逆變器輸出接近正弦波的電流[2]。

圖1 并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 模糊PI控制算法

模糊控制是以模糊集合理論為基礎(chǔ)的一種專(zhuān)家控制系統(tǒng)[7]。常規(guī)PI控制采用固定不變的PI參數(shù)難以適應(yīng)變化的環(huán)境。當(dāng)偏差絕對(duì)值較大時(shí)，比例系數(shù)kp難以獲得較好的響應(yīng)特性。而采用模糊PI控制綜合PI控制與模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，響應(yīng)速度更快，輸出波動(dòng)更小。設(shè)模糊控制器的兩個(gè)輸入量為誤差e(k)和誤差變化率Δe(k)[7]，其表達(dá)式為

e(k)=e(k)-e(k-1)

(1)

(2)

該系統(tǒng)是一個(gè)雙輸入雙輸出系統(tǒng)，輸入包括誤差(e(k))和誤差變化率(Δe(k))，通過(guò)模糊規(guī)則調(diào)節(jié)Δkp和Δki，從而調(diào)節(jié)kp和ki。本文選擇并網(wǎng)電流作為控制信號(hào)，那么輸入是并網(wǎng)電流誤差及誤差變化率，即e(k)=i2-iref及其誤差變化率。輸入輸出一共有4個(gè)變量，定義其模糊集合為{PB,PS,ZE,NS,NB}。如圖2是輸入輸出的隸屬度函數(shù)，除PB和NB為梯形隸屬度函數(shù)外，其余均為三角隸屬度函數(shù)。采用Mamdani模糊推理方法，以輸出電流能快速達(dá)到給定值為目標(biāo)，建立模糊規(guī)則。圖3是kp和ki的輸出曲面圖。

圖2 輸入輸出的隸屬度函數(shù)

圖3 kp和ki的輸出曲面

3 基于模糊控制的并網(wǎng)電流外環(huán)和電容電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略

圖4 并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)等效電路圖

基于LCL濾波器的單相并網(wǎng)逆變器如圖4所示。圖4中Udc代表微電網(wǎng)中的發(fā)電系統(tǒng)輸出的直流電源，i1是逆變器輸出電流，i2是并網(wǎng)電流，ic是流經(jīng)濾波器電容的分電流，ug是電網(wǎng)電壓。

將逆變器的輸出電壓ui作為輸入，并網(wǎng)電流i2作為輸出，根據(jù)基爾霍夫定律，LCL濾波器的暫態(tài)方程如下(忽略寄生電阻)：

(3)

低頻情況下LCL濾波器相當(dāng)于一個(gè)單電感濾波器，其電感值L為L(zhǎng)1+L2，其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

(4)

本文采用的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)是以電容電流作為內(nèi)環(huán)，并網(wǎng)電流i2作為外環(huán)?？刂瓶驁D如圖5所示，iref是i2的電流參考值，其中kp+ki/s是PI控制器，k0=k×kPWM，kPWM只與并網(wǎng)逆變器本身有關(guān)，k作為加入電容電流反饋之后的增益，可調(diào)節(jié)。

圖5 采用LCL濾波的雙閉環(huán)并網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)圖

電容電流作為內(nèi)環(huán)和并網(wǎng)電流作為外環(huán)的雙閉環(huán)PI控制器的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

(5)

當(dāng)采用PI控制器后，開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

(6)

則閉環(huán)傳遞函數(shù)：

(7)

其特征方程如(8)式：

D(s)=L1L2Cs4+kkPWML2Cs3+(L1+L2)s2+

kkPWMkps+kkPWMki

(8)

根據(jù)勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定條件

L1+L2-kpL1>0

kp(L1+L2)-kkPWMkiL2C-kp2L1>0

(9)

可見(jiàn)系統(tǒng)是條件穩(wěn)定的，與控制器參數(shù)的設(shè)置有關(guān)，參數(shù)kp、ki直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能，kp和ki必須滿足穩(wěn)定條件(9)式。

利用模糊PI控制器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流外環(huán)i2和電容電流內(nèi)環(huán)iC的雙閉環(huán)控制策略，將并網(wǎng)電流外環(huán)i2的PI控制器改為模糊PI控制器，如圖6所示。當(dāng)系統(tǒng)中有較多非線性器件和在外界條件不斷變化的情況，該控制器能夠不斷在線通過(guò)模糊規(guī)則調(diào)節(jié)Δkp和Δki，進(jìn)而修正PI控制器的比例和積分系數(shù)(即kp和ki)。采用該控制器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)具有更好的動(dòng)態(tài)和魯棒性能。為保證系統(tǒng)滿足勞斯穩(wěn)定性判據(jù)，比例和積分調(diào)節(jié)系數(shù)仍應(yīng)滿足式(9)。

圖6 基于模糊控制的雙閉環(huán)控制策略結(jié)構(gòu)框圖

4 系統(tǒng)仿真

本文基于MATLAB/Simulink平臺(tái)做了相關(guān)仿真研究，包含一個(gè)400V的直流電源(Udc)，該直流電源用以代替微電網(wǎng)中其他形式的電源；逆變器為單相電壓源型全橋逆變器，采用絕緣柵雙極晶體管；濾波器采用LCL型濾波器，參數(shù)分別為[6]：L1=2mH，L2=4mH，C=2μF；電網(wǎng)電壓為一個(gè)幅值為311V、頻率為50Hz的交流電壓，微電網(wǎng)本地負(fù)載R=4.84Ω。PI控制器的參數(shù)：kp=2.43，ki=98.1；k比例系數(shù)的值為100。

模糊控制器根據(jù)不斷地檢測(cè)e(k)和e(k)，對(duì)比例和積分系數(shù)進(jìn)行模糊調(diào)整，系統(tǒng)仿真時(shí)間為0.3s，首先得到模糊控制器雙輸入e(k)和e(k)的波形以及輸出kp和ki的波形圖，如圖7和圖8的(a)和(b)所示，可以看出輸出的kp和ki這兩個(gè)調(diào)節(jié)系數(shù)的變化較小，kp和ki系數(shù)只進(jìn)行了微調(diào)，不會(huì)破壞勞斯-赫維茨穩(wěn)定性判據(jù)，即仍然滿足式(9)，所以不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定條件。

圖7 e(k)和Δe(k)波形圖

圖8 Δkp和Δki波形圖

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，基于模糊控制的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有很好的控制性能，如圖9所示，其中i2f指模糊控制，表明這兩種控制方法都具有很好的控制效果，放大圖形可知模糊PI控制的輸出電流波形更好。仿真數(shù)據(jù)表明，雙閉環(huán)并網(wǎng)電流最大諧波畸變率(THD)為0.49%，模糊PI控制的并網(wǎng)電流最大諧波畸變率為0.04%，如圖10所示，模糊PI控制濾波效果非常理想。由圖11可知模糊PI控制能使并網(wǎng)電流和大電網(wǎng)電壓保持同相位，提供很高的并網(wǎng)功率因數(shù)。

圖9 模糊控制和雙閉環(huán)控制的并網(wǎng)電流波形圖

圖10 并網(wǎng)電流諧波分析圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文中微電網(wǎng)并網(wǎng)逆變控制采用模糊PI雙閉環(huán)控制器，結(jié)合了模糊控制和PI控制的優(yōu)點(diǎn)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了基于模糊控制的雙閉環(huán)并網(wǎng)控制策略控制性能更好，并網(wǎng)電流和大電網(wǎng)電壓保持同相位，提供很高的并網(wǎng)功率因數(shù)，并網(wǎng)電流諧波畸變率低，濾波效果非常理想，有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 王成山,李鵬. 分布式電網(wǎng)、微網(wǎng)和智能配電網(wǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2010, 34(2): 10-14.

[2] 王成山,肖朝霞,王守相. 微網(wǎng)中分布式電源逆變器的多環(huán)反饋控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2009, 24(2): 100-107.

[3] Russel J Kerkman, David Leggate, David W Schlegel, et al. Effects of parasitics on the control of voltage source inverters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2003, 18(1):140-150.

[4] Serpa L A, Kolar J W, Ponnaluri S, et al. A modified direct power control strategy allowing the connection of three-phase inverter to the grid through LCL filter [J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2005, 43(5):1388-1400.

[5] 徐志英,許愛(ài)國(guó),謝少軍. 采用LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)并網(wǎng)電流控制技術(shù)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2009, 29(27): 36-41.

[6] 王要強(qiáng),吳鳳江,孫力,等. 帶LCL輸出濾波器的并網(wǎng)逆變器控制策略研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2010, 31(12): 34-39.

[7] 張?jiān)萍t，曾成碧，吳傳來(lái)，等.模糊控制在永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 微電機(jī)，2012，45(7):69-73.

(責(zé)任編輯：楊秋霞)

Study of the Grid-connected Control Strategy for Micro-gridBased on Fuzzy PI Control

LI Cheng1，CHEN Dinghui1，TU Yong1，YANG Shaozhi1，F(xiàn)U Wenwen2，ZENG Chengbi2

(1. Sichuan Electric Power Company, Liangshan Power Supply Company,Xichang,615000,China;2. Electrical and Information College of Sichuan University,Chengdu,610065,China)

In this paper, due to unsatisfactory output waveform of inverter and bad power factor of micro-grid, a double closed-loop control strategy for the micro-grid inverters is presented based on combining the advantages of fuzzy control and PI control to realize double-loop control. Simulation results show that the proposed control method has good control performance, can maintain the same phase of grid-connected current as that of grid voltage, provides higher power factor, reduces the maximum harmonic distortion rate of the grid-connected current, and achieves extremely ideal filtering effect.

fuzzy PI control; micro-grid; double closed loop control; grid connected inverter

1007-2322(2015)04-0008-04

A

TM464

四川省科技支撐項(xiàng)目(2014GZ0069)

2014-08-15

李 誠(chéng)(1977-)，男，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃研究與管理方面的工作；

曾成碧(1969—)，女，博士，副教授，通信作者,研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電與微電網(wǎng)，E-mail:zengchengbi@sina.com。