CN105226711A - 一种基于模糊控制的并网逆变器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于模糊控制的并网逆变器控制方法，包括：将误差信号和误差变化率输入模糊控制器的输入端；所述模糊控制器根据所述误差信号和所述误差变化率确定PI控制器控制参数改变量；根据所述控制参数改变量修改PI控制器的控制参数；通过所述PI控制器得到并网逆变器的输出电压指令值。本发明基于模糊控制的并网逆变器控制方法，可以明显的提高并网逆变器系统并网电流的稳定性和抗扰动能力，提高并网逆变器系统的性能。

Description

一种基于模糊控制的并网逆变器控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子装置控制技术领域，特别是涉及一种基于模糊控制的并网逆变器控制方法。

背景技术

并网逆变器是将直流侧电能以正弦波电流的方式馈入电网的装置，它是逆变器应用的一种形式。并网运行的逆变器应用广泛，如在交流电子负载、可再生能源大规模并网发电的场合都需要逆变器并网运行，将系统内的电能回馈至电网中。然而，为了避免质量不好的并网电流对电网造成污染，并网电流的波形质量有严格的要求，电流为与电压同频反相的正弦波，且满足国际电工委员会标准。国际上对并网逆变器馈入电网的电流规定如下：波形为正弦，总谐波畸变率THD小于5％，各次谐波小于3％。

根据不同的工作场合选择相应的滤波器结构与合适的并网控制方法是决定并网逆变器馈入电网的电流质量的关键。并网逆变器的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电压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和输出无功功率。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。

并网逆变器的控制方式分为电压控制和电流控制两种。电压控制相当于将逆变器等效为一个电压源，通过控制使其输出电压相位、频率完全等同于电网电压，幅值跟踪电网电压的幅值，本质相当于将两个电压源并联。但由于市电电压很可能在运行的过程中产生畸变或较大谐波，会造成逆变器输出无法准确跟踪电网电压，使控制难度增加。另外，这种通过控制逆变器输出电压来间接控制并网电流的控制方式也不能使并网电流达到较好的质量。

现有技术中有如下几种控制方式：

1)直接电流控制方式主要分为滞环控制和三角波控制。

2)滞环控制采用滞环比较器，将参考电流和实际并网电流的偏差作为其输入，滞环比较器产生PWM信号，通过控制逆变电路开关功率器件的通断来控制并网电流。如果设定滞环比较器环宽为2h，就可以将并网电流控制在预设的范围之内，使并网电流呈锯齿状地跟踪参考电流。对于这种控制方法，范围的设置对系统影响较大：环宽较宽时，开关动作的频率降低，但误差增大，谐波很大；环宽较窄时，误差减小，谐波降低，但开关动作频率过高，开关损耗增大。针对滞环比较器的上述缺点，一种解决方法是采用同步开关法，即定时控制的瞬时值比较方式。

滞环比较器由于其开关频率与精度之前的矛盾，及高次谐波较多，电磁干扰较大，在实际应用中作用有限。目前应用较广泛的控制方式是三角波控制方式。

3)三角波控制方式可以采用不同的控制器完成对系统的控制，如PI控制，重复控制，无差拍控制等。电流误差经控制器调节后得出的波形与三角波进行比较，生成SPWM波，控制功率开关器件的通断。三角波控制方式功率开关频率等于载波频率，噪声低，易于设计滤波器，可采取多种方式进行控制，降低误差。

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，常用的高阶极点配置的双环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，尽管PI控制器能够使并网逆变器系统具有较好的性能，当系统受到外部扰动较大时，其动态性能还需要进一步提高以满足并网对电流波形与总谐波畸变率的要求。可以采用其他控制器与PI控制结合的方式提高系统鲁棒性。但并网逆变器是一个复杂的非线性系统，对其建立精确的数学模型往往非常困难。而在控制器的设计过程中，常常需要根据系统的数学模型来进行设计。

目前对于并网逆变器只能得到近似的模型而无法做到精确建模。如果在并网逆变器的看过那只系统中引入模糊控制，则模糊控制的特点可以部分补偿系统模型的不精确性。与传统控制方式相比，模糊控制把控制对象作为“黑箱”，它不依赖于系统的数学模型，而是依赖于由操作经验、表述只是转换成的模糊规则，是智能控制的一种。

加入模糊控制的系统往往鲁棒性高、动态性能好。将模糊控制与其他控制方法相结合，是目前比较多用的并网逆变器控制方式，发展潜力较大。但是传统模糊控制方式的控制参数是固定的，不能随着系统的工作情况进行在线调整。PI控制器的比例和积分系数是恒定的，这导致在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的跟踪控制指令，不能及时调节输入输出的有功和无功功率。降低了网逆变器的稳定性和抗干扰能力。

发明内容

本发明正是基于以上一个或多个问题，提供一种基于模糊控制的并网逆变器控制方法，用以解决现有技术中并网逆变器系统抗干扰性能低下的问题。

其中，所述基于模糊控制的并网逆变器控制方法，包括：

将当前并网电流的输出电流信号反馈至并网输入端与期望输出参考电流信号比较，得到误差信号；

将所述误差信号和误差变化率输入模糊控制器的输入端；

所述模糊控制器根据所述误差信号和所述误差变化率确定PI控制器控制参数改变量；

根据所述控制参数改变量修改PI控制器的控制参数；

通过所述PI控制器得到并网逆变器的输出电压指令值；

根据并网逆变器的输出电压指令值产生用于控制并网逆变器开关管通断的控制信号，从而在并网逆变器的功率输出端产生预期的输出电压。

进一步的，所述误差信号是所述当前并网电流的输出电流信号与所述期望输出参考电流信号的差值。

进一步的，所述PI控制器控制参数改变量包括：PI比例参数改变量和PI积分系数改变量；

所述PI控制器控制参数包括：PI比例参数和PI积分系数。

进一步的，所述PI比例参数改变量ΔK_P为：

${\mathrm{\ΔK}}_P=\frac{\underset{j=1}{\overset{49}{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_{pj}\left({\mathrm{\ΔK}}_p\right)\·{\mathrm{\ΔK}}_{pj}}{\underset{j=1}{\overset{49}{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_{pj}\left({\mathrm{\ΔK}}_p\right)};$

PI比例参数K_P1为：K_P1＝K_p0+ΔK_p·K；

其中，j为采样周期，K_p0为PI控制器的初始值，ΔK_Pj为第j个采样周期的PI控制器的PI比例参数。

优选的，所述PI比例参数的模糊控制规则为：

优选的，所述PI积分系数的模糊控制规则为：

本发明提供的一种基于模糊控制的并网逆变器控制方法，能够根据并网电流的误差情况，采用模糊算法在线调节PI控制参数(PI比例参数和PI积分系数)，使并网电流在外部扰动较大的时候，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。使并网逆变器控制系统的性能得到优化。

附图说明

图1是本发明实施例一的一种基于模糊控制的并网逆变器控制方法的流程图；

图2是本发明实施例二的PI控制器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的保护范围之内。

实施例一

本发明实施例一提供一种基于模糊控制的并网逆变器控制方法，如图1所示，该方法包括：

101、将当前并网电流的输出电流信号反馈至并网输入端与期望输出参考电流信号比较，得到误差信号；

其中，所述误差信号是所述当前并网电流的输出电流信号与所述期望输出参考电流信号的差值。

102、将所述误差信号和误差变化率输入模糊控制器的输入端；

103、所述模糊控制器根据所述误差信号和所述误差变化率确定PI控制器控制参数改变量；

其中，PI控制器控制参数改变量包括：PI比例参数改变量和PI积分系数改变量；

本实施例中，所述PI比例参数改变量ΔK_P为：

${\mathrm{\ΔK}}_P=\frac{\underset{j=1}{\overset{49}{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_{pj}\left({\mathrm{\ΔK}}_p\right)\·{\mathrm{\ΔK}}_{pj}}{\underset{j=1}{\overset{49}{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_{pj}\left({\mathrm{\ΔK}}_p\right)};$

其中，j为采样周期，K_p0为PI控制器的初始值，ΔK_Pj为第j个采样周期的PI控制器的PI比例参数。

104、根据所述控制参数改变量修改PI控制器的控制参数；

其中，PI控制器控制参数包括：PI比例参数和PI积分系数。

本实施例中，通过步骤103中的PI比例参数改变量ΔK_P修正后的PI比例参数K_P1为：K_P1＝K_p0+ΔK_p·K；

其中，j为采样周期，K_p0为PI控制器的初始值，ΔK_Pj为第j个采样周期的PI控制器的PI比例参数。

105、通过所述PI控制器得到并网逆变器的输出电压指令值；

106、根据并网逆变器的输出电压指令值产生用于控制并网逆变器开关管通断的控制信号，从而在并网逆变器的功率输出端产生预期的输出电压。

本发明提供的基于模糊控制的并网逆变器控制方法，通过辅助模糊控制器对主模糊控制器比例因子的调节，实现并网逆变器比例因子自适应调节，可以明显的提高并网逆变器系统并网电流的稳定性和抗扰动能力，提高并网逆变器系统的性能。

本发明提供的基于模糊控制的并网逆变器控制方法，通过根据每个采样周期的采样数据(电流信号和误差信号)，通过模糊控制器得到PI控制器控制参数改变量，通过PI控制器控制参数改变量对PI控制器控制参数进行在线修改，实现并网逆变器比例因子自适应调节，可以明显的提高并网逆变器系统并网电流的稳定性和抗扰动能力，提高并网逆变器系统的性能。

实施例二

本发明实施例二提供一种基于模糊控制的并网逆变器控制方法，该控制方法应用于如图2所示的PI控制器中。

图2所示PI控制器的工作原理是：根据每个采样周期的采样数据，通过模糊控制器得到对PI比例参数K_p和PI积分系数K_i进行在线修改的控制量。

本实施例中，在并网逆变器电感电流单环控制的基础上，将一个模糊控制器加入PI控制器之前与其串联。模糊控制器起到的作用是将控制系统的误差提前向减小的方向进行调节，使并网电流能够更好的跟随给定电流。这种控制方式综合了模糊控制和PI控制的优点，具有较高的精度和鲁棒性。

模糊控制器的工作过程是：对实际输出与给定输出之前的误差和误差变化率进行模糊化，通过控制器内部的逻辑决策模块，根据控制规则确定模糊关系，再应用模糊推理算法，得到控制器的模糊控制量U，最后解模糊，计算出精确控制量u，达到控制的目的。

应用于并网逆变器控制系统的模糊控制器设计按下列步骤进行：

(1)模糊控制器结构设计

根据输入变量的不同，模糊控制器可以分为一维、二维、三维等。其中，一维模糊控制器输入没有误差变化率这一项，因此动态性能不佳。三维模糊控制器控制更为精确，但计算过于复杂，实际意义不大。目前多采用二维模糊控制器。本发明实施例也采用二维模糊控制器的结构来进行设计。

其中，Ke、Kc为量化因子，K为比例因子。根据并网逆变器系统的运行情况选取误差e的基本论域为[mine，maxe]，误差变化率de的基本论域为[minΔe，maxΔe]，输出控制量u的基本论域为[minu，maxu]。分别设定描述它们的模糊集为{-n,-n+1,…,0,…,n-1,n}，则它们的模糊论域为[-n,n]，则量化因子与比例因子分别为：

$K_e=\frac{2n}{e_{max}-e_{min}};$

$K_c=\frac{2n}{{\mathrm{\Δe}}_{max}-{\mathrm{\Δe}}_{min}};$

K＝u；

本实施例中n＝6。

(2)模糊控制规则设计

模糊控制规则是模糊控制器中最重要的一部分。

首先，需要选定描述输入输出变量的词集。一般来说，词集中词汇的数目越多，控制越精确，但计算复杂；如果数目过少则会造成控制效果粗糙。7个词汇的情况是应用最广泛的，也是效果最好的。本文对模糊控制器的三个变量e，de和u都采用这种表述形式。选定7个级别，即：{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}。

英文字头缩写为：{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，分别代表并网逆变器系统中并网电流误差、误差变化率与控制器控制量的取值。例如，当e取负大，说明i_grid与i_ref之间的差值为负且绝对值大，接近于e_min的值，此时控制量u应向着使i_grid增大、e向着趋近为0的趋势去调节。

在选定了模糊变量的词集之后，就要对模糊子集进行定义，即定义隶属度函数的形状。隶属度函数的形状有多种，如正态函数，三角形等。隶属度函数能够对模糊变量确定其词集，其设定对模糊控制器的性能有重要的影响。

在此基础上，就可以对模糊控制规则进行设定。基于并网系统的特性与经验，采用手动设计的方式。本发明的手动控制策略的条件语句描述入下：如果A且B，那么C，即ifAandB，thenC。其中，A与B分别表示误差与误差变化率，而C表示控制量。

经过步骤(2)，可以得到模糊控制规则表。表中控制量的控制原则为：当误差或误差的变化率较大时，选择控制量向着使误差减小的方向调节，而且调节速度应该处于较快的级别；当误差或误差变化率较小时，控制量应适当减小，以保证系统稳定性为前提。

(3)解模糊化方法设计

解模糊即把模糊控制量转化成为精确的控制输出量输入到系统当中，完成对系统的控制。常用的解模糊方法主要有以下三种：最大隶属度法，中位数法，加权平均法。本文采用加权平均法来进行解模糊

(4)量化因子与比例因子的选择

设计模糊控制器除了要有好的模糊控制规则外，合理的选择模糊控制输入输出变量的尺度变换因子也是非常重要的，因为它们对模糊控制器控制性能的影响极大。

其中，模糊控制器量化因子Ke，Kc和比例因子Ku对控制系统动静态性能有很大的影响。对于本发明研究的并网逆变器来说，Ke相当于确定系统的基本论域，当取值增大时，相当于在误差不变的情况下增大输入模糊控制器的数值，使系统动态反应速率加快，但易出现超调，反而会使并网电流谐波加大、波形不稳定甚至出现振荡。而Ke取值过小时，模糊控制器的作用不明显，当有干扰存在时无法实现有效控制。当Kc增大时，相当于增大了抑制系统变化的能力，增强系统的稳定性，但可能会减慢系统上升速度，加长过渡时间。当Kc取值过小时，系统可能产生较大的超调甚至振荡。比例因子K控制模糊控制器的输出量，对系统控制作用影响较大。当K较大时，模糊控制器的调节作用比较明显，系统动态响应好，上升速率快，但是容易产生超调或振荡。当K较小时，系统较为稳定，但是在干扰出现时，模糊控制器控制作用不明显，动态响应较慢。

在设计过程中，Ke，Kc与K的大小需要结合仿真分析综合设定。本实施例的参数设定为：

Ke＝2.4，Kc＝2.4，K＝0.1。

对并网电流误差、误差变化率与控制器控制量的论域均为[-6，6]。通过在MATLAB中的仿真得出，在电网电压理想的情况下，加入模糊控制的并网电流i_grid波形较好，THD相比未加入模糊控制的系统降低，说明模糊控制能够使逆变器的性能优化。

但是，普通模糊控制器也存在缺点。例如：在控制过程中，不能根据系统的变化在线调整参数，实现动态、灵活的控制过程。而在实际运行用，电网电压无法保证始终处于理想的状态，甚至可能会发生较大扰动。当外部扰动较大的时候，采用普通模糊控制的并网逆变器并不能有效的提高电流质量。此时，如果适当增加比例因子的值，加大模糊控制器的作用，则并网电流的质量能够得到提高。因此，如果在并网逆变器的工作过程中，模糊控制器的参数能够根据外部扰动进行在线调节，理论上可以得到更好的逆变器控制性能。

基于上述分析，本实施例中基于模糊控制的并网逆变器控制方法包括：

1)在建立并网逆变器数学模型和传递函数的基础上，确定PI控制器控制参数的初始值K_p0和K_ip0。

2)将并网输出电流信i_grid，相对期望输出电流信号i_ref的误差信号e与误差变化率de输入模糊控制器。

3)模糊控制器输出对PI比例参数K_p和PI积分系数K_i的改变量ΔK_p和ΔK_i。

4)在分析PI控制器中PI比例参数K_p和PI积分系数K_i对系统动态响应和稳态精度作用的基础上，分别建立误差信号e、误差变化率de和ΔK_p和ΔK_i间的模糊控制规则。

其中，K_p和K_i在PI控制器中的作用如下：

(1)比例参数K_p：加快系统动态响应速度，提高系统调节精度。

K_p越大，系统的动态响应越快，精度越高。但K_p过大容易产生超调甚至振荡。过小则会降低调节精度，使响应速度缓慢，延长调节时间，降低系统动静态性能。

(2)积分系数K_i：消除系统的稳态误差。

K_i越大，系统的稳态误差消除越快。但是K_i过大会在响应过程初期产生积分饱和现象，引起较大超调。若过小，将使系统的稳态误差难以消除，使系统调节精度降低。

以K_p为例，解模糊后的PI比例参数改变量ΔK_P为：

${\mathrm{\ΔK}}_P=\frac{\underset{j=1}{\overset{49}{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_{pj}\left({\mathrm{\ΔK}}_p\right)\·{\mathrm{\ΔK}}_{pj}}{\underset{j=1}{\overset{49}{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_{pj}\left({\mathrm{\ΔK}}_p\right)};$

则在一个采样周期后经调整的PI比例参数K_P1为：

K_P1＝K_p0+ΔK_p·K；

其中，j为采样周期，K_p0为PI控制器的初始值，ΔK_Pj为第j个采样周期的PI控制器的PI比例参数。

本实施例中，PI比例参数K_p的模糊控制规则为：

PI积分系数K_i的模糊控制规则为：

5)通过所述PI控制器得到并网逆变器的输出电压指令值；

6)根据并网逆变器的输出电压指令值产生用于控制并网逆变器开关管通断的控制信号，从而在并网逆变器的功率输出端产生预期的输出电压。

本实施例中，为了验证图2所示PI控制器的参数控制相对于传统PI控制对并网逆变器系统在外部扰动较大情况下性能的提高，对系统在MATLAB中进行仿真。

其中，并网逆变器系统采用LC滤波器、电流双环控制结构，并网电流外环采用图2所示PI控制器。得出向电网电压加入3次谐波时，采用两种控制方式的并网电流谐波分析。

通过对上述并网电流谐波分析可以得出：采用本实施例基于模糊控制的并网逆变器控制方法的系统并网电流总谐波畸变率从10.48％下降到8.05％。由此可知，在电网电压扰动的情况下，相对于传统PI控制，本实施例的基于模糊控制的并网逆变器控制方法能够降低系统并网电流的THD，说明这种控制方式提高了系统的鲁棒性，符合PI参数自整定模糊控制的特点。

本发明提供的一种基于模糊控制的并网逆变器控制方法，能够根据并网电流的误差情况，采用模糊算法在线调节PI控制参数(PI比例参数和PI积分系数)，使并网电流在外部扰动较大的时候，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。使并网逆变器控制系统的性能得到优化。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于模糊控制的并网逆变器控制方法，包括：

将当前并网电流的输出电流信号反馈至并网输入端与期望输出参考电流信号比较，得到误差信号；

将所述误差信号和误差变化率输入模糊控制器的输入端；

所述模糊控制器根据所述误差信号和所述误差变化率确定PI控制器控制参数改变量；

根据所述控制参数改变量修改PI控制器的控制参数；

通过所述PI控制器得到并网逆变器的输出电压指令值；

根据并网逆变器的输出电压指令值产生用于控制并网逆变器开关管通断的控制信号，从而在并网逆变器的功率输出端产生预期的输出电压。

2.如权利要求1所述的基于模糊控制的并网逆变器控制方法，其特征在于，所述误差信号是所述当前并网电流的输出电流信号与所述期望输出参考电流信号的差值。

3.如权利要求1所述的基于模糊控制的并网逆变器控制方法，其特征在于，

所述PI控制器控制参数改变量包括：PI比例参数改变量和PI积分系数改变量；

所述PI控制器控制参数包括：PI比例参数和PI积分系数。

4.如权利要求3所述的基于模糊控制的并网逆变器控制方法，其特征在于，所述PI比例参数改变量ΔK_P为：

${\mathrm{\ΔK}}_P=\frac{\underset{j=1}{\overset{49}{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_{pj}\left({\mathrm{\ΔK}}_p\right)\·{\mathrm{\ΔK}}_{pj}}{\underset{j=1}{\overset{49}{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_{pj}\left({\mathrm{\ΔK}}_p\right)};$

PI比例参数K_P1为：K_P1＝K_p0+ΔK_p·K；

其中，j为采样周期，K_p0为PI控制器的初始值，ΔK_Pj为第j个采样周期的PI控制器的PI比例参数。

5.如权利要求3所述的基于模糊控制的并网逆变器控制方法，其特征在于，所述PI比例参数的模糊控制规则为：

6.如权利要求3所述的基于模糊控制的并网逆变器控制方法，其特征在于，所述PI积分系数的模糊控制规则为：