改進滯環電流控制策略在光伏并網中的研究

馬小虎，袁曉玲，施俊華

（河海大學能源與電氣學院，江蘇 南京 211100）

改進滯環電流控制策略在光伏并網中的研究

馬小虎，袁曉玲，施俊華

（河海大學能源與電氣學院，江蘇 南京 211100）

滯環電流控制已廣泛應用于光伏并網逆變器技術中，由于固定環寬控制方式下功率開關器件開關頻率變化范圍較大，從而導致開關功率損耗增大，給濾波電路設計帶來不便。提出了一種具有PID功能的變形結構模糊控制來實現變環寬滯環電流控制的方法，通過仿真研究該方法可以降低開關頻率變化范圍，提高電流跟蹤精度，THD值減小，諧波含量減少。

滯環電流控制；光伏并網逆變器；變結構模糊控制；變環寬

目前隨著傳統化石油源的逐漸枯竭，以及能源與環境問題的日益突出，太陽能作為一種綠色能源，以其清潔、無污染、蘊藏量巨大等優點成為了國家大力推廣的新能源。

并網系統是由光伏陣列，BOOST電路、最大功率跟蹤模塊、直流穩壓電容、逆變電路、濾波電路、電網組成。本文利用MATLAB/Simulink建立光伏并網系統的仿真模型，用文獻[1]提出的滑模控制來實現最大功率跟蹤，逆變部分通過變結構模糊控制技術來改變環寬，再經過滯環控制器來控制開關管的通斷，從而實現逆變輸出電流和電網電壓同頻同相。由于在固環寬滯環控制中，當環寬越大，開關頻率變化范圍較小，但電流跟蹤精度降低，THD值越大，諧波含量越高。當環寬越小，電流跟蹤精度越高，THD值越小，諧波含量越少，但開關頻率變化范圍越大[2]。文獻[3]提出了一種基于模糊控制理論實現變環寬的方法，較好地解決了頻譜特性不佳的問題，但由于環寬減小，開關頻率變化范圍沒有得到很好的改善。針對以上提出的問題本文提出了一種變結構模糊控制的變環寬滯環控制可以降低開關頻率變化范圍，電流跟蹤精度高，THD值減小，諧波含量少。

1 固環寬電流滯環控制

圖1所示為單相光伏并網逆變器的拓撲結構和固環寬電流滯環控制的原理圖。由于開關頻率遠大于電網電壓頻率，因此在一個開關周期可以認為電網電壓ug和參考電流ig保持恒定。設滯環寬度為H，則當開關S1、S4導通時有[4]：

圖1 單相光伏并網逆變器的拓撲結構和固環寬電流滯環控制的原理圖

根據滯環比較器動作條件可以得到開通時間為：

同理可以得到關斷時間為：

根據上面公式可得開關周期為

由上式可知當滯環寬度固定時，功率開關器件的開關頻率變化范圍較大。

2 變環寬滯環電流控制

由于固環寬電流滯環控制的開關頻率變化范圍較大從而給濾波電路的設計帶來很多不便。因此為了改善固定環寬電流滯環控制開關頻率變化范圍大的特點提出了一種變環寬滯環電流控制，可以通過電流誤差實時改變環寬從而改善開關頻率的變化范圍。

變環寬滯環電流控制原理是通過直流側電壓與參考電壓的差值經過PI調節器和PLL鎖相環獲得指令電流，然后將逆變器輸出電流和指令電流進行比較，產生的電流誤差通過變結構模糊控制產生相應的環寬，再經過滯環控制器將電流誤差與實時環寬進行比較，來決定開關脈沖的時序，使逆變輸出電流上升或下降，從而實時的緊密跟蹤正弦指令電流。圖2所示為單相光伏并網逆變器的拓撲結構和變環寬電流滯環控制的原理圖。

圖2 單相光伏并網逆變器的拓撲結構和變環寬電流滯環控制的原理圖

3 變結構模糊控制的實現

本文采用文獻[5]中的變結構模糊控制器。在這個變形結構中采用兩個模糊控制器，其中一個是最常見的具有PD功能的模糊控制器；一個是具有P功能的模糊控制器[5]。這種變結構模糊控制器具有PID功能可以減少穩態誤差，提高穩態精度。模糊控制器的輸出按兩種方式給出，一種模糊PD輸出量即為直接的控制量，另一種模糊P輸出量則是增量式。通過以上方式來實現環寬的變化。

模糊控制器的控制規則一般是根據專家控制規則提出的，而在控制過程中，人所能獲取的信息量基本為三個，即誤差、誤差的變化及誤差變化的變化量[4]。在本文中模糊控制器PD的輸入變量e和ec分別為電流的誤差值和電流誤差的變化量，輸出量是環寬H。模糊控制器P的輸入量為電流的誤差值，輸出量為環寬的變化值△h。當三角形隸屬度函數為非均勻分布時，系統穩態誤差較小，響應更靈敏，曲線上升速度快，因此在實際控制系統中被廣泛采用。本文中模糊PD的輸入量采用非均勻分布方式，輸出量采用均勻方式。模糊P的輸入量和輸出量均采用非均勻分布方式。模糊PD的輸入量及模糊P的輸入量和輸出量的隸屬度函數如圖3所示。模糊PD的輸出量的隸屬度函數如圖4所示。

圖3 模糊PD的輸入量e，ec及模糊P的e，Δh隸屬度函數圖

圖4 模糊PD輸出量H的隸屬度函數圖

模糊控制器控制規則的形式可以用“If...Then...”語句表示，控制規則的選取直接關系到系統控制性能的優劣，是模糊控制器設計的關鍵。模糊控制器的規則通常是總結專家經驗或經反復實驗試湊、修改確定。表1為模糊PD規則表，表2為模糊P規則表。

表1 模糊PD規則表

表2 模糊P規則表

4 仿真結果分析

在MATLAB/Simulink平臺下對系統進行仿真。光伏模塊的參數采用Vm=35.64 V，Im=2.81 A，Voc=42.84 V，Isc=3.14 A，BOOST電路中的電容電感分別為C1=4.7mF，L=0.1mH，濾波電路中的電感電容分別為L1=8mH，C2=2μF，電網內阻R1= 1Ω，仿真時間為0.5 s。實驗結果分析驗證了帶有變結構模糊控制的變環寬滯環電流控制能降低開關頻率變化范圍，電流跟蹤精度高，且THD值減小，諧波含量減少。光伏并網電流和電網電壓波形仿真結果如圖5所示。

圖5 光伏并網電流和電網電壓波形圖

圖5仿真結果表明在0.05 s電網的輸入電流是與電網電壓同頻同相的正弦波，功率因數近似為1，因此利用變結構模糊控制來改變環寬的電流滯環控制可以較好地使逆變器輸出電流和電網電壓同頻同相，從而實現安全并網。

將固定環寬H=1和H=2時的電流跟蹤效果與變環寬的電流跟蹤效果進行比較，圖6所示為光伏并網電流跟蹤波形圖。

圖6 光伏并網電流跟蹤波形圖

通過圖6可以看出帶變結構模糊控制的可變環寬的方法得出的電流跟蹤波形幾乎接近于H=1時的跟蹤波形，其電流峰值到電流過零點時的毛刺比H=2時的毛刺要小，從而電流跟蹤精度要高，因此通過這種變環寬的方法可以提高電流跟蹤精度。

將固定環寬H=1和H=2時的開關頻率與變環寬的開關頻率進行比較，圖7所示為S1，S4開關信號的脈沖波形圖。

圖7 S1,S4開關信號脈沖波形圖

通過圖7可以看出帶變結構模糊控制的可變環寬的方法得出的開關頻率幾乎接近于H=2時的開關頻率，比H=1時的開關頻率要低。因此通過這種變環寬的方法可以減小開關頻率變化范圍，從而減少開關損耗。

將固定環寬H=1和H=2時的諧波分析效果與變環寬的諧波分析效果進行比較，圖8所示為并網電流諧波分析圖。

圖8 光伏并網電流的諧波分析圖

通過圖8可以看出帶變結構模糊控制的可變環寬方法的THD值，諧波含量幾乎接近于H=1時候，比H=2時的THD值要小，諧波含量少。因此通過這種變環寬的方法可以減小總諧波畸變率，減少諧波含量，從而提高輸出電流的正弦度，實現高功率因數并網。

綜上所述，經過比較可以得到帶變結構模糊控制的可變環寬的方法可以降低開關頻率的變化范圍，提高電流的跟蹤精度，總諧波畸變率降低，諧波含量減少。

5 結論

本文研究了一種基于變結構模糊控制的光伏并網系統滯環電流控制方法，采用電流誤差和電流誤差變化量作為模糊PD的輸入量，采用電流誤差作為模糊P的輸入量，經過模糊控制輸出實時改變環寬，從而達到了對并網電流的有效控制。該方法能夠很好地使電網電壓和逆變輸出電流同頻同相，降低開關頻率變化范圍，減少裝置開關損耗，提高了電流跟蹤精度，THD值減小，諧波含量減少，從而實現高功率因數并網。

[1] 張淼，吳捷.滑模技術在PV最大功率追蹤系統中的應用[J].電工技術學報，2005，20(3)：90-93.

[2]RAHMAN M A,RADWAN T S,OSHEIBA AM,etal.Analysisof current controllers for voltage-source inverter[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1997,44(4):477-485.

[3] 王恒利，鞠志忠.模糊控制理論在電流滯環控制技術中的應用[J].空軍雷達學院學報，2009,23（2）：113-115.

[4] 孫孝峰.高頻開關型逆變器及其并聯并網技術[M].北京：機械工業出版社，2011.

[5] 李國勇.智能控制及其MATLAB實現[M].北京：電子工業出版社，2005.

[6] 王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2000.

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Improved hysteresis currentcontrolscheme for photovoltaic grid-connected system

MA Xiao-hu,YUAN Xiao-ling,SHIJun-hua
(College of Energy and Electrical Engineering,HohaiUniversity,Nanjing Jiangsu 211100,China)

Hysteresis current control system has been widely used in PV grid-connected inverter technology.For a wide range of switch frequency of power switching device in fixed-band control mode,it can increase the loss of switch power and can bring inconvenience of filter circuit. A method was proposed that variable structure fuzzy control which has the PID function was used to realize variable-band hysteresis current control. Through the simulation, the method can reduce the range of switch frequency, improve the current tracking precision, and decrease the THD value and harmonic content.

hysteresis current control;PV grid-connected invert;variable structure fuzzy control;variable-band

TM 464

A

1002-087 X(2013)11-2019-04

2013-04-02

馬小虎（1988—），男，江蘇省人，碩士研究生，主要研究方向為電力電子與電力傳動。