CN109638887A - 一种光伏并网逆变器的无差拍模糊控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及逆变器并网控制技术领域，尤其是指一种光伏并网逆变器的无差拍模糊控制系统及控制方法，包括依次连接的太阳能光伏阵列、Boost升压电路、全桥逆变电路以及电网，太阳能光伏阵列的输出端设有用于跟踪其最大输出功率点的扰动观察模块，扰动观察模块连接有第一模糊控制器，全桥逆变电路连接有无差拍控制器，无差拍控制器用于产生全桥逆变电路的驱动PWM信号，无差拍控制器连接有第二模糊控制器。本发明提供的一种光伏并网逆变器的无差拍模糊控制系统及控制方法，并网前级具有更好的动态和稳态性能，并网后级在非线性负载接入后负载输出端更稳定，减小电压电流谐波。
Description
技术领域
本发明涉及逆变器并网控制技术领域，尤其是指一种光伏并网逆变器的无差拍模糊控制系统及控制方法。
背景技术
在传统光伏发电并网逆变系统中，由于光伏太阳能阵列的输出功率会在很大程度上受到光照强度的影响，因此为了提高光伏阵列的利用效率，保证光伏阵列能够持续以最大功率输出，需要对其最大功率点(MPP-maximum power point)进行跟踪。并网逆变器前级MPPT的控制算法主要有恒压法、扰动观察法、电导增量法，其中扰动观察法由于其简单，容易实现，能够快速跟踪到最大功率点的特点，在MPPT算法中得到了广泛的应用。但扰动观察法也存在着自身的缺点。由于扰动观察法在追踪最大功率点的过程中采用了步长固定的方式，因此步长大小的选择会影响到系统的跟踪的响应速度以及系统的稳定性。
并网后级全桥逆变电路的控制方法包括：比例积分(PI)调节、无差拍(Deadbeat)算法、比例谐振(PR)算法等。其中无差拍控制方法高速的系统响应速度被广泛应用。但是当系统逆变输出端接阻性负载时，系统工作在稳定状态下，当系统逆变输出端接入感性或容性负载，并且受到外界环境干扰时，此时负载端电压电流并不保持同步，系统的稳定性较低，同时会导致负载两端电流电压谐波率升高。
发明内容
本发明针对现有技术的问题提供一种光伏并网逆变器的无差拍模糊控制系统及控制方法，通过加入模糊控制的方法，使光伏阵列在稳态工作过程中，减小功率波动，使并网前级具有更好的动态和稳态性能，使并网后级在非线性负载接入后负载输出端更稳定，减小电压电流谐波。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种光伏并网逆变器的无差拍模糊控制系统，包括依次连接的太阳能光伏阵列、Boost升压电路、全桥逆变电路以及电网，所述太阳能光伏阵列的输出端设有用于跟踪其最大输出功率点的扰动观察模块，所述扰动观察模块连接有第一模糊控制器，所述全桥逆变电路连接有无差拍控制器，所述无差拍控制器用于产生全桥逆变电路的驱动PWM信号，所述无差拍控制器连接有第二模糊控制器。
一种光伏并网逆变器的无差拍模糊控制方法，包括以下步骤：
A.太阳能光伏阵列输出电压；
B.通过第一模糊控制器控制扰动观察模块对太阳能光伏阵列的输出电压进行扰动，进行太阳能光伏阵列输出功率的最大功率点的跟踪；
C.将进行最大功率跟踪后的太阳能光伏阵列的输出电压输入Boost升压电路进行升压，再将Boost升压电路的输出电压输入全桥逆变电路；
D.通过在无差拍控制器内加入第二模糊控制器进行模糊控制，再利用经过模糊控制的无差拍控制器对全桥逆变电路进行控制；
E.将全桥逆变电路的输出电压输入电网。
优选的，所述扰动观察模块采用扰动观察法进行最大功率点的跟踪，包括以下步骤：
B1.采样太阳能光伏阵列的输出电压电流，得到采样的输出电压和输出电流，接着通过扰动观察模块给太阳能光伏阵列的输出电压提供一个扰动电压ΔV，设扰动后太阳能光伏阵列的输出电压为V(n)，扰动前一刻太阳能光伏阵列的输出电压为V(n-1)，扰动后太阳能光伏阵列的输出功率为P(n)，扰动前太阳能光伏阵列的输出功率为P(n-1)；
B2.比较扰动后太阳能光伏阵列的输出功率P(n)以及扰动前太阳能光伏阵列的输出功率P(n-1)：
若P(n)>P(n-1)，V(n)>V(n-1)，则扰动为正向扰动，太阳能光伏阵列的输出功率靠近最大功率点MPP，应继续正向扰动；
若P(n)>P(n-1)，V(n)<V(n-1)，则扰动为负向扰动，太阳能光伏阵列的输出功率靠近最大功率点MPP，应继续负向扰动；
若P(n)<P(n-1)，V(n)>V(n-1)，则扰动为正向扰动，太阳能光伏阵列的输出功率远离最大功率点MPP，应改变扰动方向；
若P(n)<P(n-1)，V(n)<V(n-1)，则扰动为负向扰动，太阳能光伏阵列的输出功率远离最大功率点MPP，应改变扰动方向；
B3.通过第一模糊控制器对扰动观察法的步长进行调整，第一模糊控制器的第一模糊控制规则为：若太阳能光伏阵列的输出功率增加，则向原方向调整步长，反之则向反方向调整步长；若太阳能光伏阵列的输出功率远离最大功率点MPP，则增大步长，提高跟踪速度，若靠近最大功率点MPP，则减小步长，减少功率损失。
优选的，步骤B1中，先设定参考值δ，若|P(n)-P(n-1)|>δ，则比较扰动后太阳能光伏阵列的输出功率P(n)以及扰动前太阳能光伏阵列的输出功率P(n-1)的大小，反之不进行比较且重新通过扰动观察模块对太阳能光伏阵列的输出电压进行扰动观察。
优选的，所述第一模糊控制器的工作原理包括以下步骤：
B31.设置第一模糊控制器的两个输入量为第n时刻的太阳能光伏阵列的输出功率的变化量e(n)和第n-1时刻的太阳能光伏阵列的输出占空比的步长a(n-1)，第一模糊控制器的输出量为第n时刻的太阳能光伏阵列的输出占空比的步长a(n)；
B32.设置量化因子Ke和Ka，将太阳能光伏阵列的输出功率变化量e(n)和第n-1时刻的太阳能光伏阵列的输出占空比的步长a(n-1)分别乘以Ke和Ka，映射到对应的模糊集论域，变成模糊集论域的模糊量E(n)和A(n-1)；
B33.通过第一模糊控制规则，得出第n时刻太阳能光伏阵列的输出占空比的步长的模糊量A(n)，再由重心法解模糊，得出第n时刻的占空比步长a(n)。
优选的，所述全桥逆变电路的工作原理包括以下步骤：
D1.通过AD采样，得到全桥逆变电路的输入电压Vbus、电网电压有效值Vgrid(n)和全桥逆变电路输出电流的有效值Iout(n)；
D2.设定全桥逆变电路的输入电压的参考值Vbus_ref，通过PI控制调节将参考值Vbus_ref与全桥逆变电路的输入电压Vbus进行比较运算，由第二模糊控制器不断调节PI控制中的KP和KI比例积分参数，KP和KI再经过PI控制运算后得出并网电流的幅值信号I*；
D3.设置单位正弦电流信号，当电网电压信号方波出现上升沿时，单位正弦电流信号与电网电压信号方波同步，将电流幅值信号I*与单位正弦电流信号相乘，得出下一周期的电流预测值Iref(n+1)；
D4.将电流预测值Iref(n+1)、全桥逆变电路输出电流有效值Iout(n)、第n周期的电网电压有效值Vgrid(n)、第n-1周期的电网电压有效值Vgrid(n-1)以及全桥逆变电路的输入电压Vbus共同作为无差拍控制器的输入量，通过无差拍控制器的运算输出PWM驱动信号，将PWM驱动信号作为全桥逆变电路的开关管的驱动信号，使全桥逆变电路产生跟电网电压同频同相的电流。
优选的，步骤D2中，设置第二模糊控制器的双输入量为全桥逆变电路的输出端电流实际采样值和预测下一周期预测电流共同作用下的电流误差量ie和电流误差变化率Δie，将电流误差量ie和电流误差变化率Δie分别乘以各自的量化因子并映射到对应的模糊集论域，得到误差的模糊量IE以及误差变化率的模糊量ΔIE，再通过设计第二模糊控制规则，得出模糊的比例系数变化量ΔP以及积分系数变化量ΔI，接着通过重心法解模糊得出相应的PI参数的增量ΔKP和ΔKI，通过增量ΔKP和ΔKI，ΔKP和ΔKI分别加上基于相位裕度整定得到的PI参数的初始值，作为新的PI参数KP和KI输入到PI控制器中，KP和KI再经过PI控制运算后得出并网电流的幅值信号I*。
优选的，所述第二模糊控制规则为：先设置一个系统的误差参考值d，接着识别当前系统的响应状态，在误差ie大于误差参考值d时，增强比例环节作用，同时减少积分环节作用，避免出现积分饱和现象；系统误差ie小于误差参考值d时，减少比例环节作用，同时增强积分环节作用，有利于减小系统的稳态误差。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种光伏并网逆变器的无差拍模糊控制系统及控制方法，基于模糊控制的扰动观察法的MPPT具有响应速度快、稳态振荡小的特点，能够最大程度地提升系统效率、降低功率损失；同时，本发明在并网后级全桥逆变中加入了模糊控制算法，能够有效的提高系统在接入非线性负载后的稳定性，降低电压电流的谐波。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明的扰动观察法控制流程图。
图3为本发明的扰动观察法的模糊控制设计。
图4为本发明的MPPT模糊控制规则表。
图5为本发明的并网全桥逆变电路工作原理图。
图6为本发明的KP和KI参数模糊控制规则表。
图7为本发明的全桥逆变模糊控制原理图。
图8为本发明的太阳能光伏阵列输出功率对比图。
图9为本发明的太阳能光伏阵列输出功率局部放大图。
图10为本发明的同时接入500W阻性负载与300W容性负载的并网输出电流及负载电流。
图11为本发明的同时接入150W感性负载、500W阻性负载以及100W容性负载的并网输出电流及负载电流。
在图1至图11中的附图标记包括：
1-太阳能光伏阵列，2-Boost升压电路，3-全桥逆变电路，4-电网，5-扰动观察模块，6-第一模糊控制器，7-无差拍控制器，8-第二模糊控制器。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。以下结合附图对本发明进行详细的描述。
本实施例提供的一种光伏并网逆变器的无差拍模糊控制系统，如图1，包括依次连接的太阳能光伏阵列1、Boost升压电路2、全桥逆变电路3以及电网4，所述太阳能光伏阵列1的输出端设有用于跟踪其最大输出功率点的扰动观察模块5，所述扰动观察模块5连接有第一模糊控制器6，所述全桥逆变电路3连接有无差拍控制器7，所述无差拍控制器7用于产生全桥逆变电路3的驱动PWM信号，所述无差拍控制器7连接有第二模糊控制器8。
具体地，如图1所示，光伏并网逆变器主要由太阳能光伏阵列1、前级交错并联的Boost升压电路2、后级全桥逆变电路3以及电网4构成。并网逆变器的Boost升压电路2将太阳能光伏阵列1的输出电压升压到400V左右的母线电压，母线电压经过后级全桥逆变电路3后得到跟电网电压同频同相的电流，输入到电网4中。
前级MPPT控制由前级交错并联Boost电路完成，本发明中的太阳能光伏阵列1输出电压为200V-350V，经过Boost升压电路2后得到400V左右的母线电压。本发明中的MPPT控制方法，通过在太阳能光伏阵列1的输出端增加扰动观察模块5，扰动观察模块5采用了扰动观察法，通过不断给出太阳能光伏阵列1输出端提供扰动电压，从而计算前后两次太阳能光伏阵列1输出功率大小，将前后两次输出功率比较后输入到PI调节中，产生PWM控制脉冲信号，PWM信号经过驱动电路后直接驱动Boost升压电路2中的开关元件，从而实现了对光伏最大功率点的跟踪。后级并网逆变控制过程中，通过加入的第二模糊控制器8，在无差拍控制器7中加入模糊控制法，经过运算，生成与电网电压同频同相的电流信号，使得系统更稳定。
本实施例提供的一种光伏并网逆变器的无差拍模糊控制方法，包括以下步骤：
A.太阳能光伏阵列1输出电压；
B.通过第一模糊控制器6控制扰动观察模块5对太阳能光伏阵列1的输出电压进行扰动，进行太阳能光伏阵列1输出功率的最大功率点的跟踪；
C.将进行最大功率跟踪后的太阳能光伏阵列1的输出电压输入Boost升压电路2进行升压，再将Boost升压电路2的输出电压输入全桥逆变电路3；
D.通过在无差拍控制器7内加入第二模糊控制器8进行模糊控制，再利用经过模糊控制的无差拍控制器7对全桥逆变电路3进行控制；
E.将全桥逆变电路3的输出电压输入电网4。
本实施例提供的一种光伏并网逆变器的无差拍模糊控制方法，所述扰动观察模块5采用扰动观察法进行最大功率点的跟踪，其包括以下步骤：
B1.采样太阳能光伏阵列1的输出电压电流，得到采样的输出电压和输出电流，接着通过扰动观察模块5给太阳能光伏阵列1的输出电压提供一个扰动电压ΔV，设扰动后太阳能光伏阵列1的输出电压为V(n)，扰动前一刻太阳能光伏阵列1的输出电压为V(n-1)，扰动后太阳能光伏阵列1的输出功率为P(n)，扰动前太阳能光伏阵列1的输出功率为P(n-1)；
B2.比较扰动后太阳能光伏阵列1的输出功率P(n)以及扰动前太阳能光伏阵列1的输出功率P(n-1)：
若P(n)>P(n-1)，V(n)>V(n-1)，则扰动为正向扰动，太阳能光伏阵列1的输出功率靠近最大功率点MPP，应继续正向扰动；
若P(n)>P(n-1)，V(n)<V(n-1)，则扰动为负向扰动，太阳能光伏阵列1的输出功率靠近最大功率点MPP，应继续负向扰动；
若P(n)<P(n-1)，V(n)>V(n-1)，则扰动为正向扰动，太阳能光伏阵列1的输出功率远离最大功率点MPP，应改变扰动方向；
若P(n)<P(n-1)，V(n)<V(n-1)，则扰动为负向扰动，太阳能光伏阵列1的输出功率远离最大功率点MPP，应改变扰动方向；
B3.通过第一模糊控制器6对扰动观察法的步长进行调整，第一模糊控制器6的第一模糊控制规则为：若太阳能光伏阵列1的输出功率增加，则向原方向调整步长，反之则向反方向调整步长；若太阳能光伏阵列1的输出功率远离最大功率点MPP，则增大步长，提高跟踪速度，若靠近最大功率点MPP，则减小步长，减少功率损失。
具体地，由于传统扰动观察法的在进行最大功率点跟踪的过程中，步长不变，模糊控制的扰动观察法实际就是对定步长的扰动观察法进行改进，控制方法根据光伏太阳能电池的实时输出功率调整扰动步长，从而使工作点更加接近最大功率点。依据扰动观察法的原理，取太阳电池的输出功率为目标函数，占空比为控制变量。根据功率值的变化量和前一刻的占空比调整步长，决定这一刻的步长大小。
如图2，根据系统采样到的太阳能光伏阵列1输出电压V和输出电流I，并计算未扰动前一刻的输出功率P(n-1)，接着给输出电压V提供一个扰动电压ΔV，扰动后电压为V(n)，扰动前一刻电压计为V(n-1)，计算扰动后的输出功率P(n)，比较扰动后的输出功率P(n)以及未扰动前的输出功率P(n-1)，若P(n)>P(n-1)，V(n)>V(n-1)，说明扰动方向正确，为正向扰动，输出功率靠近最大功率点MPP，应继续正向扰动，增加电压的参考值Vref(n)；若P(n)>P(n-1)，V(n)<V(n-1)，说明扰动方向正确，为负向扰动，输出功率靠近最大功率点MPP，应继续负向扰动，继续降低电压的参考值Vref(n)；若P(n)<P(n-1)，V(n)>V(n-1)，说明扰动方向错误，扰动为正向扰动，输出功率远离最大功率点MPP，应改变扰动方向，降低电压的参考值Vref(n)；若P(n)<P(n-1)，V(n)<V(n-1)，说明扰动方向错误，扰动为负向扰动，输出功率远离最大功率点MPP，应改变扰动方向，并增加电压的参考值Vref(n)。
由于传统扰动观察法在进行最大功率点跟踪的过程中，步长不变，模糊控制的扰动观察法实际就是对定步长的扰动观察法进行改进，控制方法根据光伏太阳能电池的实时输出功率调整扰动步长，从而使工作点更加接近最大功率点，依据扰动观察法的原理，取太阳电池的输出功率为目标函数，占空比为控制变量，根据功率值的变化量和前一刻的占空比调整步长，决定这一刻的步长大小，其调整控制规则为：若太阳能光伏阵列1的输出功率增加，则向原方向调整步长，反之则向反方向调整步长；若输出功率远离最大功率点MPP，则采用较大的步长，提高跟踪速度，若靠近最大功率点MPP，则采用较小的步长，减少功率损失。
本实施例提供的一种光伏并网逆变器的无差拍模糊控制方法，如图2，先设定参考值δ，若|P(n)-P(n-1)|>δ，则比较扰动后太阳能光伏阵列1的输出功率P(n)以及扰动前太阳能光伏阵列1的输出功率P(n-1)的大小，反之不进行比较且重新通过扰动观察模块5对太阳能光伏阵列1的输出电压进行扰动观察。
具体地，先设定参考值δ，若|P(n)-P(n-1)|<δ，则系统判定本次输出功率跟上次输出功率大小相等，系统没有动作输出，返回算法的中断子程序中，目的是为了防止系统因为数字信号处理器的采样信号的波动而产生误判。
本实施例提供的一种光伏并网逆变器的无差拍模糊控制方法，如图3，所述第一模糊控制器6的工作原理包括以下步骤：
B31.设置第一模糊控制器6的两个输入量为第n时刻的太阳能光伏阵列1的输出功率的变化量e(n)和第n-1时刻的太阳能光伏阵列1的输出占空比的步长a(n-1)，第一模糊控制器6的输出量为第n时刻的太阳能光伏阵列1的输出占空比的步长a(n)；
B32.设置量化因子Ke和Ka，将太阳能光伏阵列1的输出功率变化量e(n)和第n-1时刻的太阳能光伏阵列1的输出占空比的步长a(n-1)分别乘以Ke和Ka，映射到对应的模糊集论域，变成模糊集论域的模糊量E(n)和A(n-1)；
B33.通过第一模糊控制规则，得出第n时刻太阳能光伏阵列1的输出占空比的步长的模糊量A(n)，再由重心法解模糊，得出第n时刻的占空比步长a(n)。
具体地，模糊量E和A分别定义为5个和3个模糊子集，即E＝{NB，NS，ZE，PS，PB}，A＝{N，Z，P}其中，NB、NS、Z、PS、PB分别表示负大、负小、正零、正小、正大；N，P，Z表示负、正、零模糊概念。MPPT模糊控制规则表如图4所示，系统通过判断模糊量所属的模糊子集并计算其隶属度，通过查询模糊控制规则表进行推理，得到符合条件的模糊控制输出结果，接着合并相同的模糊控制输出结果，并且记录所合并结果的隶属度最大值，再通过现有技术中的重心法解模糊得出所需要的输出量。
本实施例提供的一种光伏并网逆变器的无差拍模糊控制方法，所述全桥逆变电路3的工作原理包括以下步骤：
D1.通过AD采样，得到全桥逆变电路3的输入电压Vbus、电网电压有效值Vgrid(n)和全桥逆变电路3输出电流的有效值Iout(n)；
D2.设定全桥逆变电路3的输入电压的参考值Vbus_ref，通过PI控制调节将参考值Vbus_ref与全桥逆变电路3的输入电压Vbus进行比较运算，由第二模糊控制器8不断调节PI控制中的KP和KI比例积分参数，KP和KI再经过PI控制运算后得出并网电流的幅值信号I*；
D3.设置单位正弦电流信号，当电网电压信号方波出现上升沿时，单位正弦电流信号与电网电压信号方波同步，将电流幅值信号I*与单位正弦电流信号相乘，得出下一周期的电流预测值Iref(n+1)；
D4.将电流预测值Iref(n+1)、全桥逆变电路3输出电流有效值Iout(n)、第n周期的电网电压有效值Vgrid(n)、第n-1周期的电网电压有效值Vgrid(n-1)以及全桥逆变电路3的输入电压Vbus共同作为无差拍控制器7的输入量，通过无差拍控制器7的运算输出PWM驱动信号，将PWM驱动信号作为全桥逆变电路3的开关管的驱动信号，使全桥逆变电路3产生跟电网电压同频同相的电流。
具体地，如图7，在后级并网逆变控制过程中，将采样到的直流母线电压Vbus值跟系统中设定的参考值Vbus_ref通过PI调节进行比较运算，由模糊控制算法不断调节PI控制中的KP和KI参数，经过PI控制运算后得到给定的并网电流的幅值I*；此时对电网电压进行捕获，当检测到电压方波的上升沿时，进入到系统内的数字信号处理器的捕获中断，生成跟电网电压同步的单位正弦电流信号，电流幅值信号I*跟正弦表信号相乘后得到下一周期的电流预测值Iref(n+1)，最后将下一周期的电流预测值Iref(n+1)、逆变输出端电流有效值Iout(n)、采样到的本周期的电网电压有效值Vgrid(n)、上个控制周期采样到的电网电压有效值Vgrid(n-1)以及直流母线电压采样值Vbus共同输入到无差拍控制器7中，输出PWM信号，方波信号经过放大、隔离电路后驱动开关管使后级产生跟电网电压同频同相的电流。
本实施例提供的一种光伏并网逆变器的无差拍模糊控制方法，设置第二模糊控制器8的双输入量为全桥逆变电路的输出端电流实际采样值和预测下一周期预测电流共同作用下的电流误差量ie和电流误差变化率Δie，将电流误差量ie和电流误差变化率Δie分别乘以各自的量化因子并映射到对应的模糊集论域，得到误差的模糊量IE以及误差变化率的模糊量ΔIE，再通过设计第二模糊控制规则，得出模糊的比例系数变化量ΔP以及积分系数变化量ΔI，接着通过重心法解模糊得出相应的PI参数的增量ΔKP和ΔKI，通过增量ΔKP和ΔKI，ΔKP和ΔKI分别加上基于相位裕度整定得到的PI参数的初始值，作为新的PI参数KP和KI输入到PI控制器中，KP和KI再经过PI控制运算后得出并网电流的幅值信号I*。
本实施例提供的一种光伏并网逆变器的无差拍模糊控制方法，所述第二模糊控制规则为：先设置一个系统的误差参考值d，接着识别当前系统的响应状态，在误差ie大于误差参考值d时，增强比例环节作用，同时减少积分环节作用，避免出现积分饱和现象；系统误差ie小于误差参考值d时，减少比例环节作用，同时增强积分环节作用，有利于减小系统的稳态误差。
具体地，根据工程经验制定第二模糊控制器8的模糊控制规则，在第二模糊控制器8的模糊集合中加入7个模糊变量，为正大、正较大、正较小、零、负较小、负较大、负大分别表示为：PB、PE、PS、ZO、NS、NE、NB，其模糊控制规则表如图6所示。
当系统逆变输出端接阻性负载时，系统工作在稳定状态下，但是当系统逆变输出端接入感性或容性负载，并且受到外界环境干扰时，此时负载端电压电流并不保持同步，系统的稳定性较低，同时会导致负载两端电流电压谐波率升高，且在离网和并网工作模式相互切换时，都存在类似问题。故在原有的单极性无差拍控制方法中加入模糊控制的方法，由于模糊控制的特性，可以有效提高接入非线性负载的逆变系统的稳定性。将模糊控制引入到光伏控制系统中，主要用于对PI控制环节中参数KP和KI进行适当修正，从而增强了系统的稳定性。
后级全桥逆变电路3可等效为如图5，忽略输出端滤波电容中的电流和线路中的损耗。由开关管Q1-Q4组成了全桥，其中Q1、Q4交替导通，Q2、Q3交替导通，向电网4输送能量，L为输出端滤波电感，Vbus为直流母线电压，由前级交错并联Boost电路产生，并由后级全桥逆变控制策略稳定，约为420V。逆变输出电流为Iinvert，逆变输出电压为Vinvert，电网电压为Vgrid。
根据输出电感特性得到以下方程：
在开关管的一个控制周期T内，将(1)转化为如下方程：
上式中，L为逆变输出端滤波电感，视为常量，T为开关管的控制周期；第n个采样周期采样到的逆变输出端电压平均值为Vinvert-ave(n)；第n个周期采样到的电网电压平均值为Vgrid-ave(n)；第n个采样周期采样到的逆变输出电流为Iout(n)；第(n+1)次采样周期的逆变输出电流为Iout(n+1)；使在(n+1)次采样过程中，流过滤波电感的电流能够跟踪上逆变输出参考电流Iref(n+1)，Iref(n+1)可用来替换式(2)中的Iout(n+1)，可得：
且有：
Vgrid(n+1)-Vgrid(n)＝Vgrid(n)-Vgrid(n-1) (5)
电网电压的平均值Vgrid-ave(n)可替换为：
Vgrid-ave(n+1)＝1.5Vgrid-ave(n)-0.5Vgrid-ave(n-1) (6)
由(3)和(6)可得：
并网逆变器的后级逆变输出电压跟前级的直流母线电压成比例关系，因此高频管在控制周期内的占空比D(n)为：
其中上式中Iref(n+1)为全桥逆变过程中基于第二模糊控制器8的PI稳压控制和后级锁相环控制共同作用后得到的第(n+1)个周期的给定电流参考信号。
因此由式(7)中所求得开关管占空比D(n)，从而实现了对整个电路的无差拍控制，因此由式(7)中可以看出对开关管占空比的控制就变成了对参考电流Iref(n+1)的控制，并且经过第二模糊控制器8的模糊控制后获得的参考电流Iref(n+1)跟电网电压信号保持同步。
图8和图9是matlab中对模糊控制的扰动观察的MPPT仿真结果和局部放大图，在相同光照1000W/m2和温度25℃环境下与传统的扰动观察法仿真对比，仿真时间均为0.4s，采用ode23tb算法，由图8可见，采用模糊控制的扰动观察法的MPPT经过0.065s跟踪逐渐达到稳定，输出功率达到最大值175.66W近似等于额定输出功率176W，输出电压、电流几乎没有振荡；而传统扰动观察法经0.1s跟踪才逐渐达到稳定，与模糊控制的扰动观察法对比其输出功率电压、电流振荡比较大。通过图9光伏阵列输出功率的对比放大图可以更加明确看到稳态时，扰动观察法的振荡范围为162～175.66W，而模糊控制的扰动观察法几乎没有振荡。但是由于模糊控制的扰动观察法也属于动态自寻优法，达到最大功率点也会有略微的振荡，但是其振荡是很小的，振荡范围只有175.55～175.66W，模糊控制的扰动观察法放大图9可以说明这一点，由以上分析可知模糊控制的扰动观察法具有更好的性能。
图10和图11为不同性质负载的并网输出电流及负载电流，负载性质可以通过电子负载装置进行配置，负载可以选择阻性、容性、感性或者混合负载。模糊控制算法的加入有效的提高了并网输出电流的质量，特别是当输出端负载不是纯阻性负载时，并网输出电流比之前的单极性算法电流输出波形更加平滑，杂波更少，与此同时，负载端电流也会更加平滑，图10为相同负载采用传统无差拍控制器7的波形图(左)以及在无差拍控制方法中加入了模糊控制算法后的波形图(右)，图11为相同负载采用传统无差拍控制器7的波形图(左)以及在无差拍控制方法中加入了模糊控制算法后的波形图(右)，图10与图11的负载性质不同，可以明显看出并网输出电流和负载电流波形更加平滑，谐波降低。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当利用上述揭示的技术内容作出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种光伏并网逆变器的无差拍模糊控制系统，其特征在于：包括依次连接的太阳能光伏阵列、Boost升压电路、全桥逆变电路以及电网，所述太阳能光伏阵列的输出端设有用于跟踪其最大输出功率点的扰动观察模块，所述扰动观察模块连接有第一模糊控制器，所述全桥逆变电路连接有无差拍控制器，所述无差拍控制器用于产生全桥逆变电路的驱动PWM信号，所述无差拍控制器连接有第二模糊控制器。
2.一种基于权利要求1所述的光伏并网逆变器的无差拍模糊控制系统的无差拍模糊控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
A.太阳能光伏阵列输出电压；
B.通过第一模糊控制器控制扰动观察模块对太阳能光伏阵列的输出电压进行扰动，进行太阳能光伏阵列输出功率的最大功率点的跟踪；
C.将进行最大功率跟踪后的太阳能光伏阵列的输出电压输入Boost升压电路进行升压，再将Boost升压电路的输出电压输入全桥逆变电路；
D.通过在无差拍控制器内加入第二模糊控制器进行模糊控制，再利用经过模糊控制的无差拍控制器对全桥逆变电路进行控制；
E.将全桥逆变电路的输出电压输入电网。
3.根据权利要求2所述一种光伏并网逆变器的无差拍模糊控制方法，其特征在于：所述扰动观察模块采用扰动观察法进行最大功率点的跟踪，包括以下步骤：
B1.采样太阳能光伏阵列的输出电压电流，得到采样的输出电压和输出电流，接着通过扰动观察模块给太阳能光伏阵列的输出电压提供一个扰动电压ΔV，设扰动后太阳能光伏阵列的输出电压为V(n)，扰动前一刻太阳能光伏阵列的输出电压为V(n-1)，扰动后太阳能光伏阵列的输出功率为P(n)，扰动前太阳能光伏阵列的输出功率为P(n-1)；
B2.比较扰动后太阳能光伏阵列的输出功率P(n)以及扰动前太阳能光伏阵列的输出功率P(n-1)：
若P(n)>P(n-1)，V(n)>V(n-1)，则扰动为正向扰动，太阳能光伏阵列的输出功率靠近最大功率点MPP，应继续正向扰动；
若P(n)>P(n-1)，V(n)<V(n-1)，则扰动为负向扰动，太阳能光伏阵列的输出功率靠近最大功率点MPP，应继续负向扰动；
若P(n)<P(n-1)，V(n)>V(n-1)，则扰动为正向扰动，太阳能光伏阵列的输出功率远离最大功率点MPP，应改变扰动方向；
若P(n)<P(n-1)，V(n)<V(n-1)，则扰动为负向扰动，太阳能光伏阵列的输出功率远离最大功率点MPP，应改变扰动方向；
B3.通过第一模糊控制器对扰动观察法的步长进行调整，第一模糊控制器的第一模糊控制规则为：若太阳能光伏阵列的输出功率增加，则向原方向调整步长，反之则向反方向调整步长；若太阳能光伏阵列的输出功率远离最大功率点MPP，则增大步长，提高跟踪速度，若靠近最大功率点MPP，则减小步长，减少功率损失。
4.根据权利要求3所述一种光伏并网逆变器的无差拍模糊控制方法，其特征在于：步骤B1中，先设定参考值δ，若|P(n)-P(n-1)|>δ，则比较扰动后太阳能光伏阵列的输出功率P(n)以及扰动前太阳能光伏阵列的输出功率P(n-1)的大小，反之不进行比较且重新通过扰动观察模块对太阳能光伏阵列的输出电压进行扰动观察。
5.根据权利要求3所述一种光伏并网逆变器的无差拍模糊控制方法，其特征在于：所述第一模糊控制器的工作原理包括以下步骤：
B31.设置第一模糊控制器的两个输入量为第n时刻的太阳能光伏阵列的输出功率的变化量e(n)和第n-1时刻的太阳能光伏阵列的输出占空比的步长a(n-1)，第一模糊控制器的输出量为第n时刻的太阳能光伏阵列的输出占空比的步长a(n)；
B32.设置量化因子Ke和Ka，将太阳能光伏阵列的输出功率变化量e(n)和第n-1时刻的太阳能光伏阵列的输出占空比的步长a(n-1)分别乘以Ke和Ka，映射到对应的模糊集论域，变成模糊集论域的模糊量E(n)和A(n-1)；
B33.通过第一模糊控制规则，得出第n时刻太阳能光伏阵列的输出占空比的步长的模糊量A(n)，再由重心法解模糊，得出第n时刻的占空比步长a(n)。
6.根据权利要求2所述一种光伏并网逆变器的无差拍模糊控制方法，其特征在于：所述全桥逆变电路的工作原理包括以下步骤：
D1.通过AD采样，得到全桥逆变电路的输入电压Vbus、电网电压有效值Vgrid(n)和全桥逆变电路输出电流的有效值Iout(n)；
D2.设定全桥逆变电路的输入电压的参考值Vbus_ref，通过PI控制调节将参考值Vbus_ref与全桥逆变电路的输入电压Vbus进行比较运算，由第二模糊控制器不断调节PI控制中的KP和KI比例积分参数，KP和KI再经过PI控制运算后得出并网电流的幅值信号I*；
D3.设置单位正弦电流信号，当电网电压信号方波出现上升沿时，单位正弦电流信号与电网电压信号方波同步，将电流幅值信号I*与单位正弦电流信号相乘，得出下一周期的电流预测值Iref(n+1)；
D4.将电流预测值Iref(n+1)、全桥逆变电路输出电流有效值Iout(n)、第n周期的电网电压有效值Vgrid(n)、第n-1周期的电网电压有效值Vgrid(n-1)以及全桥逆变电路的输入电压Vbus共同作为无差拍控制器的输入量，通过无差拍控制器的运算输出PWM驱动信号，将PWM驱动信号作为全桥逆变电路的开关管的驱动信号，使全桥逆变电路产生跟电网电压同频同相的电流。
7.根据权利要求6所述一种光伏并网逆变器的无差拍模糊控制方法，其特征在于：步骤D2中，设置第二模糊控制器的双输入量为全桥逆变电路的输出端电流实际采样值和预测下一周期预测电流共同作用下的电流误差量ie和电流误差变化率Δie，将电流误差量ie和电流误差变化率Δie分别乘以各自的量化因子并映射到对应的模糊集论域，得到误差的模糊量IE以及误差变化率的模糊量ΔIE，再通过设计第二模糊控制规则，得出模糊的比例系数变化量ΔP以及积分系数变化量ΔI，接着通过重心法解模糊得出相应的PI参数的增量ΔKP和ΔKI，通过增量ΔKP和ΔKI，ΔKP和ΔKI分别加上基于相位裕度整定得到的PI参数的初始值，作为新的PI参数KP和KI输入到PI控制器中，KP和KI再经过PI控制运算后得出并网电流的幅值信号I*。
8.根据权利要求7所述一种光伏并网逆变器的无差拍模糊控制方法，其特征在于：所述第二模糊控制规则为：先设置一个系统的误差参考值d，接着识别当前系统的响应状态，在误差ie大于误差参考值d时，增强比例环节作用，同时减少积分环节作用，避免出现积分饱和现象；系统误差ie小于误差参考值d时，减少比例环节作用，同时增强积分环节作用，有利于减小系统的稳态误差。
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