CN103956769A - 一种基于模糊pi算法的微电网并网逆变器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模糊PI算法的微电网并网逆变器的控制方法。该方法包括：（1）采样当前电网电压、当前并网逆变器的输出电流和当前滤波器的电容电流；（2）确定并网电流指令值；（3）调整PI控制器的比例系数和积分系数；（4）通过修正后的PI控制器得到滤波器的电容电流指令值；（5）通过P控制器得到并网逆变器的输出电压指令值；（6）产生控制信号控制并网逆变器开关管的通断，在并网逆变器的功率输出端产生期望的输出电压；（7）重复（1）～（6），使并网逆变器的输出电流始终跟踪指令值。本发明采用模糊算法在线调节PI控制器的控制参数，使逆变器的输出电流能够快速精确地跟踪电流指令信号。

Description

一种基于模糊PI算法的微电网并网逆变器的控制方法

技术领域

本发明属于电力电子装置控制技术领域，更具体地，涉及一种基于模糊PI算法的微电网并网逆变器的控制方法。

背景技术

所谓微电网，就是一个小型的、完整的电网，它包括发电装置、储能装置、距离非常短的输电线路、负荷和控制系统。它是单一的可控单元，是能够实现自我控制、保护和管理的小型自治系统。其运行方式灵活，既能与外部大电网相连接而并网运行，也能脱离大电网独立运行。

美国可靠性技术解决方案协会（Consortium for Electric ReliabilityTechnology Solutions，简称CERTS）是研究微电网的权威机构。2002年，CERTS对微电网给出了较为完善的定义，主要包括：（1）微电网是一个小型的电网，包含负荷和小功率电源；（2）微电网不仅可以为本地用户提供热能，也能保障用户对电能的需求；（3）微电网是一个小型的自治系统，能够安全地供电，也能满足用户对电能质量的要求；（4）微电网中的逆变和整流等电能转换过程大部分需要电力电子器件的工作，同时它也能对微电网进行必要的控制。

由此可见，并网逆变器是微电网的关键设备，其性能直接关系到并入电网中电能的质量，以及分布式发电系统的能源转换效率。并网逆变器的作用是将分布式发电单元和储能单元的直流形式的能量转换为交流形式的能量，从而与外部电网进行连接和能量交换。此时，逆变器的控制目标一般是输出有功功率（P）和输出无功功率（Q）。一般来说，利用电力电子器件构成的逆变器会产生大量的电流谐波，因此，要使用无源器件组成的滤波器来滤掉这些谐波。并网逆变器采用的滤波器通常有两种：电感（L）滤波器和电感-电容-电感（LCL）滤波器。在电感值相同，成本相当的情况下，LCL滤波器具有更好的滤波效果。然而，LCL滤波器作为一个三阶系统，容易产生谐振，造成系统的不稳定。

通常，抑制谐振有两种方式：一种是无源阻尼法，另一种是有源阻尼法。所谓无源阻尼法，一般是在逆变器电路中增加电阻以直接增加LCL滤波器的阻尼，但是无论是串联还是并联电阻，都会增加系统的额外损耗。所谓有源阻尼法，通常采取对逆变器电压电流的控制来实现抑制谐振的目的，常用的有源阻尼法包括：并网电流外环电容电流内环的双闭环比例-积分（PI）控制策略，基于高阶极点配置的双闭环PI控制策略，加权电流平均值反馈PI控制策略，以及并网电流、电容电压和电感电流的三环PI控制策略等。但是，在以上方法中，PI控制器的比例和积分系数是恒定的，这导致在某些系统结构变化或者参数波动（如外部电网结构发生故障或者内侧直流母线电压剧烈升高）等情况下，逆变器无法快速精确地跟踪控制指令，不能及时调节输入输出的有功和无功功率。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于模糊PI算法的微电网并网逆变器的控制方法，使用LCL滤波器滤波并引入电容电流内环控制抑制谐振的同时，采用模糊算法在线调节PI控制器的控制参数，使逆变器的输出电流能够快速精确地跟踪电流指令信号，从而控制微电网各个分布式发电单元和储能单元与大电网之间的有功和无功功率的顺利传递。

为实现上述目的，本发明提供了一种微电网并网逆变器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）对电网电压、并网逆变器的输出电流和滤波器的电容电流进行采样，得到当前电网电压u_ac、当前并网逆变器的输出电流i₁和当前滤波器的电容电流i_c；

（2）根据当前电网电压u_ac和期望的并网功率确定并网电流指令值i_1rep；

（3）根据当前并网逆变器的输出电流i₁和并网电流指令值i_1rep之差，调整PI控制器的比例系数和积分系数；

（4）通过修正后的PI控制器得到滤波器的电容电流指令值i_crep；

（5）根据当前滤波器的电容电流i_c和滤波器的电容电流指令值i_crep，通过P控制器得到并网逆变器的输出电压指令值u_1rep；

（6）根据并网逆变器的输出电压指令值u_1rep，产生用于控制并网逆变器开关管的控制信号，利用该信号控制并网逆变器开关管的通断，从而在并网逆变器的功率输出端产生期望的输出电压；

（7）重复执行上述步骤（1）～（6），使并网逆变器的输出电流始终跟踪指令值。

优选地，所述步骤（3）进一步包括如下子步骤：

（3-1）计算并网电流指令值i_1rep和当前并网逆变器的输出电流i1的误差e，以及误差变化率e_c=e-e₀，其中，e₀为上个循环内，并网电流指令值和采样的当前并网逆变器的输出电流的误差；

（3-2）分别将误差e和误差变化率e_c归一化得到E和E_c，使E和E_c落入输入论域中，选取模糊集合{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，将E和E_c代入各个模糊变量在论域上的隶属度函数中，得到E和E_c的隶属度；

（3-3）采用Mamdani模糊推理方法，根据模糊控制规则进行模糊推理，由E和Ec的隶属度得到模糊输出量k_p和k_i及其对应的隶属度；

（3-4）采用Centroid重心平均法，根据模糊输出量k_p和k_i及其对应的隶属度，得到精确输出量k'_p和k'_i，进一步得到控制输出量ΔK_p和ΔK_i，从而得到调整后的PI控制器的比例系数K'_p=K_p+ΔK_p和积分系数K'_i=K_i+ΔK_i，其中，K_p为上个循环结束时PI控制器的比例系数，K_i为上个循环结束时PI控制器的积分系数。

优选地，所述步骤（3-3）中，k_p的模糊控制规则如下：

k_i的模糊控制规则如下：

优选地，所述步骤（4）具体为：将误差e输入PI控制器中，分别进行以K'_p为系数的比例计算和以K'_i为系数的积分计算，得到滤波器的电容电流指令值i_crep。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

（1）通过引入电容电流内环控制增加系统阻尼比，相对没有谐振抑制的控制方法，本方法更能保证系统在受到外界干扰的情况下能稳定运行。

（2）采用在线调整的有源阻尼法，相对无源阻尼法，能有效避免消耗在电阻上的额外损耗，从而能有效提高系统效率。

（3）采用模糊算法在线调节PI控制器的控制参数（比例系数和积分系数），使其适合当前最佳运行状态，从而在系统震荡的情况下快速有效地调节输出电流，使之达到高输出功率因数和低进网电流总谐波畸变率的要求。

（4）采用双闭环控制策略，同时控制逆变器输出电流和滤波器电容电流，提高系统动态响应能力。

附图说明

图1是简化的单相微电网结构；

图2是采用LCL滤波器的并网系统的硬件结构示意图；

图3是逆变器控制信号流程示意图；

图4是模糊控制器的实现流程示意图；

图5是模糊变量在论域上的输入和输出隶属度函数；

图6是输出量k'_p相对于输入量e和e_c的输出曲面；

图7是输出量k'_i相对于输入量e和e_c的输出曲面。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例的基于模糊PI算法的微电网并网逆变器的控制方法包括如下步骤：

（1）对电网电压、并网逆变器的输出电流和滤波器的电容电流进行采样，得到当前电网电压u_ac、当前并网逆变器的输出电流i₁和当前滤波器的电容电流i_c。

（2）根据当前电网电压u_ac和期望的并网功率确定并网电流指令值i_1rep。

（3）根据当前并网逆变器的输出电流i₁和并网电流指令值i_1rep之差，调整PI控制器的比例系数和积分系数。

（4）通过修正后的PI控制器得到滤波器的电容电流指令值i_crep。

（5）根据当前滤波器的电容电流ic和滤波器的电容电流指令值i_crep，通过比例（P）控制器得到并网逆变器的输出电压指令值u_1rep。

（6）根据并网逆变器的输出电压指令值u_1rep，产生用于控制并网逆变器开关管的控制信号，利用该信号控制并网逆变器开关管的通断，从而在并网逆变器的功率输出端产生期望的输出电压。

（7）重复执行上述步骤（1）～（6），使并网逆变器的输出电流始终跟踪指令值。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例，对本发明的基于模糊PI算法的微电网并网逆变器的控制方法进行详细说明。

单相微电网结构如图1所示，并网系统的硬件结构如图2所示，其中，并网逆变器、滤波器和电网的参数如下：直流母线电压为400V，滤波器电感L₁=2mH，L₂=4mH，电容C=2μF；电网等效为一个幅值为311V，频率为50Hz的交流电压源。该控制器由电信号采集模块、并网电流控制器、电容电流P控制器、控制信号输出模块几个部分组成，其中，电信号采集模块和控制信号输出模块由硬件电路搭成，而并网电流控制器和电容电流P控制器则在微处理器（如数字信号处理器DSP）中利用软件编程的方法实现。基于一个固定的时钟频率，控制器经过初始化后，先后进行数据采集、处理和输出工作。等完成预定工作以后，控制器在下一个周期时钟触发下，再进行新一轮的周期性工作。

在一个周期内，并网逆变器的控制方法包括如下步骤：

（1）对电网电压、并网逆变器的输出电流和滤波器的电容电流进行采样，得到当前电网电压u_ac、当前并网逆变器的输出电流i₁和当前滤波器的电容电流i_c并将三者存储在微处理器中。

（2）根据当前电网电压u_ac和并网功率确定并网电流指令值i_1rep。

（3）根据当前并网逆变器的输出电流i1和并网电流指令值i_1rep之差，调整PI控制器的比例系数和积分系数。

如图3所示，并网电流控制器实际由模糊控制器和PI控制器两部分组成。模糊控制器根据当前并网逆变器的输出电流i₁和并网电流指令值i_1rep之差，调节PI控制器的比例系数和积分系数。图4是模糊控制器的实现流程示意图，包括模糊化、模糊推理和反模糊化三个部分，其中，模糊推理采用Mamdani型推理算法，反模糊化采用Centroid重心平均法。

本步骤进一步包括如下步骤：

（3-1）计算并网电流指令值i_1rep和当前并网逆变器的输出电流i₁的误差e，以及误差变化率e_c=e-e₀，其中，e₀为上一个时钟周期内，并网电流指令值和采样的当前并网逆变器的输出电流的误差。

（3-2）模糊化：将误差e和误差变化率e_c映射到模糊集合中，得到针对模糊集合中模糊变量的隶属度。

首先，根据式（1）生成归一化变量E和E_c，使其落入输入论域[-6,6]中，其中，k_e和k_c为归一化因子，分别取值为：k_e=6/250，k_c=6/360。

$\left\{\begin{array}{c}E=e\·k_e\\ E_c=e_c\·k_c\end{array}\right.---\left(1\right)$

选取模糊集合{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，其中的元素分别代表“负向较大”、“负向中等”、“负向较小”、“零”、“正向较小”、“正向中等”和“正向较大”。模糊变量在论域上的隶属度函数如图5所示，NB和PB的隶属度函数分别为Z型隶属度函数，其余为三角形隶属度函数。将E和E_c模糊化的最后一步就是将E和E_c的值代入各个模糊变量的隶属度函数中得到其隶属度。

（3-3）模糊推理：采用Mamdani模糊推理方法，由E和E_c的隶属度得到模糊输出量k_p和k_i及其对应的隶属度。

模糊推理就是由模糊化的输入确定模糊化的输出的过程，具体地，是由E和E_c的隶属度得到模糊输出量k_p和k_i及其对应的隶属度。k_p和k_i的模糊控制规则分别如表1和表2所示，该控制系统一共有49条模糊控制规则，这49条模糊控制规则形成了一个模糊控制规则矩阵，根据模糊控制规则进行模糊推理，得到模糊输出量k_p和k_i及其对应的隶属度。

表1k_p的模糊控制规则

表2k_i的模糊控制规则

（3-4）反模糊化：采用Centroid重心平均法，根据模糊输出量k_p和ki及其对应的隶属度，得到精确输出量k'_p和k'_i，进一步得到控制输出量ΔK_p和ΔKi，从而得到调整后的PI控制器的比例系数K'_p=K_p+ΔK_p和积分系数K'_i=K_i+ΔK_i，其中，K_p为上一时钟周期结束时PI控制器的比例系数，K_i为上一时钟周期结束时PI控制器的积分系数。

反模糊化就是由模糊化的输出导出确切的一个能被控制系统识别的控制量的过程。首先根据模糊输出量k_p和k_i及其对应的隶属度，在图5中找到相应的面积，然后将这些面积叠加，将其重心所处的横坐标作为精确输出量k'_p和k'_i（k'_p和k'_i的输出曲面分别如图6和图7所示），进一步得到控制输出量ΔK_P＝y₁·k'_p和ΔK_i＝y₂·k'_i，其中，y₁和y₂均为比例因子，y₁=0.1，y₂=0.85。

（4）通过修正后的PI控制器得到滤波器的电容电流指令值i_crep。

具体地，将误差e输入PI控制器中，分别进行以K'_p为系数的比例计算和以K'_i为系数的积分计算，得到期望的电容电流，即滤波器的电容电流指令值i_crep。

（5）将滤波器的电容电流指令值i_crep与当前滤波器的电容电流ic的差值送入P控制器，进行以控制系数K_c为系数的比例计算，得到并网逆变器的输出电压指令值u_1rep。

（6）微处理器根据并网逆变器的输出电压指令值u_1rep，产生用于控制并网逆变器开关管的高频脉冲宽度调制（PWM）信号，该信号经功率放大电路后成为并网逆变器的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）开关管的控制信号，控制开关管的通断，从而在并网逆变器的功率输出端产生期望的输出电压。

通过以上六个步骤，即可在一个周期内实现对并网逆变器输出电流、电压的在线控制。当进入下一个周期时，重复执行上述步骤，确保逆变器输出电流精确快速地跟踪指令值。

通过上述控制方法，单相并网逆变器把直流母线的能量调制成含有高频成分的交流电压，其经过LCL滤波器进行滤波，从而消除高次谐波，改善电能质量。这种控制方法可满足并网运行所要求的高输出功率因数（Power Factor,PF）和低进网电流总谐波畸变含量(Total HarmonicDistortion,THD)。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种微电网并网逆变器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）对电网电压、并网逆变器的输出电流和滤波器的电容电流进行采样，得到当前电网电压u_ac、当前并网逆变器的输出电流i₁和当前滤波器的电容电流i_c；

（2）根据当前电网电压u_ac和期望的并网功率确定并网电流指令值i_1rep；

（3）根据当前并网逆变器的输出电流i₁和并网电流指令值i_1rep之差，调整PI控制器的比例系数和积分系数；

（4）通过修正后的PI控制器得到滤波器的电容电流指令值i_crep；

（5）根据当前滤波器的电容电流i_c和滤波器的电容电流指令值i_crep，通过P控制器得到并网逆变器的输出电压指令值u_1rep；

（6）根据并网逆变器的输出电压指令值u_1rep，产生用于控制并网逆变器开关管的控制信号，利用该信号控制并网逆变器开关管的通断，从而在并网逆变器的功率输出端产生期望的输出电压；

（7）重复执行上述步骤（1）～（6），使并网逆变器的输出电流始终跟踪指令值。

2.如权利要求1所述的微电网并网逆变器的控制方法，其特征在于，所述步骤（3）进一步包括如下子步骤：

（3-1）计算并网电流指令值i_1rep和当前并网逆变器的输出电流i1的误差e，以及误差变化率e_c=e-e₀，其中，e₀为上个循环内，并网电流指令值和采样的当前并网逆变器的输出电流的误差；

（3-2）分别将误差e和误差变化率e_c归一化得到E和E_c，使E和E_c落入输入论域中，选取模糊集合{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，将E和E_c代入各个模糊变量在论域上的隶属度函数中，得到E和E_c的隶属度；

（3-3）采用Mamdani模糊推理方法，根据模糊控制规则进行模糊推理，由E和E_c的隶属度得到模糊输出量k_p和k_i及其对应的隶属度；

（3-4）采用Centroid重心平均法，根据模糊输出量k_p和k_i及其对应的隶属度，得到精确输出量k'_p和k'_i，进一步得到控制输出量ΔK_p和ΔK_i，从而得到调整后的PI控制器的比例系数K'_p=K_p+ΔK_p和积分系数K'_i=K_i+ΔK_i，其中，K_p为上个循环结束时PI控制器的比例系数，K_i为上个循环结束时PI控制器的积分系数。

3.如权利要求2所述的微电网并网逆变器的控制方法，其特征在于，所述步骤（3-3）中，k_p的模糊控制规则如下：

k_i的模糊控制规则如下：

4.如权利要求2或3所述的微电网并网逆变器的控制方法，其特征在于，所述步骤（4）具体为：将误差e输入PI控制器中，分别进行以K'_p为系数的比例计算和以K'_i为系数的积分计算，得到滤波器的电容电流指令值i_crep。