太陽能發電中DC/DC變換器控制

張少如，張云清，王利軍，韓永典

（1.河北師范大學 物理科學與信息工程學院，河北 石家莊 050016；2.河北師范大學 組織部，河北 石家莊 050016；3.石家莊市道橋管理處，河北 石家莊 050000；4.天津大學 材料科學與工程學院，天津 300072）

世界性的環境污染和能源短缺已經迫使人們努力地尋找和開發新能源，在尋找和開發新能源的過程中，人們很自然地把目光投向了各種可再生的替代能源．太陽能發電以其特有的優點：清潔性、安全性、廣泛性、長壽命和免維護性、實用性、資源的充足性及潛在的經濟性等，成為首選[1]．然而，太陽能發電易受到地理分布、季節變化、晝夜交替等影響．因此太陽能光伏發電的電壓很不穩定，一般在其額定值的15%～30%浮動，且功率比較低．無論孤島運行還是并網運行，都需要利用DC/DC變換器將這一電壓變換為大功率的穩定電壓，才能供用戶使用[2]．常用的升壓電路Boost變換器，不能用作大功率變換器．電壓提升技術可有效提升輸出電壓，近年來已經成功應用在DC/DC變換器中[3]．具有正輸出電壓的Luo-converter就是其中之一，可以應用于大功率場合[4]，因此本文將采用具有正輸出電壓的Luo-converter提升輸出電壓．

DC/DC變換器的運行特性是非線性的，傳統PID控制器不能實時地調整其自身參數，所以很難將控制系統品質指標保持在最佳范圍內．本文采用模糊自適應PID控制算法設計控制器，該控制器能夠對控制過程中不確定的條件、參數、延遲和干擾等因素進行檢測分析，采用模糊推理的方法實現PID參數的在線調整．這一控制器把模糊控制和傳統PID控制兩種控制策略的優點結合起來，既保持了PID控制系統良好的動態跟蹤性能和穩態精度等優點，又具有模糊控制系統魯棒性較強、動態響應快和超調量小的優點．由于模糊自適應PID控制中含有積分環節，改善了單純模糊控制不能消除系統穩態誤差的缺點．仿真實驗表明，利用所設計的控制器對具有正輸出電壓的Luo-converter進行控制時，輸出電壓穩定度高，滿足太陽能光伏發電的要求．

1 拓撲電路及數學模型

具有正輸出電壓的Luo-converter拓撲電路，以及開關導通和關斷時的等效電路如圖1所示．當開關S導通時，電源電流 iI=+．電感L1從電源吸收能量，電感L2從電源和電容C1吸收能量，電流和增加．當開關S關斷時，電源電流iI=0，電感L1的能量通過續流二極管D向C1充電，電感L2的能量通過續流二極管D向C2R放電，電流和減小．

圖1 電路拓撲及等效電路Fig.1 Circuit diagram of Luo-converter and its Equivalent circuit

因為電容C2只是起低通濾波的作用，因此

又由于，開關S導通時，電源電流iI=+；開關S關斷時，電源電流iI=0．所以，電源電流一個周期內的平均值為

由式 (4)和式 (6)可得

因此，輸出電壓為

變換器的傳遞函數為

2 控制方法

太陽能光伏發電的電壓為110V，由于天氣變化及晝夜交替的影響，這一電壓會在15%～30%范圍內波動．而經DC/DC變換器后的電壓必須為480 V，且波動小于1%，才能經逆變變為380 V的三相交流電．因此，控制器是必不可少的．由式 (8)可知，輸出電壓與輸入電壓和占空比有關，由于輸入電壓是變化的，所以要想得到穩定的輸出電壓，必須讓占空比也發生變化．

模糊自適應PID控制器是一種智能非線性控制器，是人們運用模糊數學的基本理論和方法把規則的條件和操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規則以及有關信息作為知識存入計算機知識庫中．計算機再根據控制系統的實際響應情況，運用模糊推理，自動實現對PID參數的在線調整[5]．該控制器的結構如圖2所示．

圖中偏差e及其變化率ec作為控制器的輸入量，且偏差

偏差的變化率

式中：r為給定值；c為系統的實際輸出．

控制器的輸出是根據偏差e和偏差變化率ec的變化實時修正的PID控制器參數Kp、Ki和Kd．

圖2 模糊自適應PID控制器的結構Fig.2 Schematic diagram of fuzzy self-adaptive PID controller

基于模糊自適應PID控制的Luo-converter的結構圖，如圖3所示．

輸出電壓與參考電壓 (480 V)比較后，得到誤差信號e，再經模糊自適應PID控制器后與鋸齒波比較，得到適宜的占空比k，控制開關的導通和關閉．和傳統的PID控制方案相比，模糊自適應PID控制器根據控制系統的實際響應情況，運用模糊推理，自動實現對PID參數的在線調整，保證了輸出電壓的穩定及響應速度．

圖3 Luo-converter模糊自適應PID控制Fig.3 Fuzzy self-adaptive PIDcontrol for Luo-converter

圖4 輸入輸出電壓的仿真波形Fig.4 Simulated waveform of input and output voltages

3 仿真及結果

根據上述控制方案，利用Malab中的Fuzzy Logic Toolbox工具箱設計模糊控制器，并構建仿真系統框圖．仿真參數如下：L1==480 V；鋸齒波的頻率20 k，峰峰值1.23；輸入電壓起始值為100 V，0.02 s時發生變化，到0.03 s線性增加到110 V然后維持穩定，0.06s時再次發生變化，到0.07s線性增加到120V然后維持穩定．

利用所提出的控制方法控制Luo-converter時，變換器過渡過程中其輸出電壓的波動很小，輸入電壓變化時，輸出電壓仍然維持穩定，滿足太陽能光伏發電對輸出電壓的要求．

4 結論

太陽能發電易受到地理分布、季節變化、晝夜交替等影響，因此光伏發電的電壓很不穩定，一般在其額定值的15%～30%浮動，且功率比較低，所以需要利用DC/DC變換器將這一電壓變換為大功率的穩定電壓，才能供用戶使用．本文采用具有正輸出電壓的Luo-converter進行升壓，采用模糊自適應PID控制算法為其設計控制器，該控制器能夠對控制過程中不確定的條件、參數、延遲和干擾等因素進行檢測分析，采用模糊推理的方法實現PID參數的在線調整．這一控制器把模糊控制和傳統PID控制兩種控制策略的優點結合起來，既保持了PID控制系統良好的動態跟蹤性能和穩態精度等優點，又具有模糊控制系統魯棒性較強、動態響應快和超調量小的優點．仿真實驗表明，利用所設計的控制器對具有正輸出電壓的Luo-converter進行控制時，輸出電壓穩定度高，滿足太陽能光伏發電的要求．

[1]楊海柱，金新民．最大功率跟蹤的光伏并網逆變器研究 [J]．北方交通大學學報，2004，28（2）：65-68．

[2]Luo FL．Positiveoutput Luo converters：voltagelift technique[J]．IEEproceedings Electric Power Applications，1999，146（4）：415-432．

[3]Habetler T G，Harley RG．Power electronic converter and system control[J]．Proceedings of the IEEE，2001，89（6）：913-925．

[4]Furuya T，Kobori Y，Tsugane T，etal．A study of Changed Control System for DC-DC Converters for the Portable Telephone Equipments[C]．Technical Meeting on Electronic Circuits，IEEEJapan，2006，6（5）：61-66．

[5]金龍，褚國偉，胡敏強，等．超聲波電機速度與定位控制系統 [J]．中國電機工程學報，2005，25（1）：131-136．