王 海，胡天友，張曉博

(電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，四川 成都611731)

0 引 言

隨著光伏發(fā)電及其并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與推廣，光伏逆變器的應(yīng)用場(chǎng)合與電網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成趨于復(fù)雜，對(duì)光伏逆變器的功能和應(yīng)用范圍提出了更高要求［1］。傳統(tǒng)的線性控制策略在對(duì)應(yīng)用環(huán)境變化及本身具有非線性的光伏逆變器控制中效果較差。同時(shí)隨著應(yīng)用場(chǎng)合及負(fù)載的供電可靠性要求，逆變器需要具有獨(dú)立/并網(wǎng)雙模式工作特性，以滿足脫網(wǎng)條件下光伏逆變器對(duì)負(fù)載的可靠供電，提高光能利用效率。同時(shí)需使光伏逆變器工作模式無縫切換，以保證負(fù)載供電切換過程的平滑可靠。

本文分析了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)特性，并提出基于模糊控制的雙模式光伏逆變器控制策略，使光伏逆變器具有良好的抗干擾能力和較強(qiáng)的魯棒性，同時(shí)設(shè)計(jì)合理的模式切換策略，保證切換過程的平滑過渡，實(shí)現(xiàn)無縫切換。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方案的可行性。

1 雙模式逆變系統(tǒng)工作原理

圖1 所示為光伏逆變器獨(dú)立/并網(wǎng)雙模式控制系統(tǒng)原理圖，由IGBT 模塊(T1 ～T4)構(gòu)成橋式功率電路［2］，利用正弦波脈寬調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)逆變輸出。經(jīng)過電感L、電容C 構(gòu)成的低通濾波器將輸出信號(hào)的高頻諧波濾除［3］，產(chǎn)生工頻交流正弦波信號(hào)輸出至負(fù)載和電網(wǎng)［4］。切換電路開關(guān)S 由快速雙向可控開關(guān)器件構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)逆變器獨(dú)立/并網(wǎng)輸出切換。

圖1 控制系統(tǒng)原理圖

同時(shí)，采樣調(diào)理電路實(shí)時(shí)采樣輸出電壓uO和輸出濾波電感電壓uL與電流iL，并檢測(cè)電流過零點(diǎn)送入DSP 作控制處理。

1.1 逆變器輸出特性分析

如圖1 所示，逆變系統(tǒng)IGBT 逆變信號(hào)輸出后經(jīng)過LC 濾波電路［5］，此時(shí)逆變器系統(tǒng)后端具有明顯的非線性特性，如圖2 所示。由于m1，m2和m3處的曲線斜率不同，在調(diào)整相同的占空比時(shí)產(chǎn)生的輸出量調(diào)整變化量會(huì)隨著時(shí)間變化而不同。

圖2 逆變系統(tǒng)非線性特性圖

同時(shí)，由于光伏逆變系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境較為復(fù)雜，存在不可預(yù)期的負(fù)載阻抗Z 的變化和外界干擾，較難建立精確的數(shù)學(xué)模型。此時(shí)傳統(tǒng)的線性控制策略較難適應(yīng)應(yīng)用環(huán)境。

1.2 模糊控制性能分析

模糊控制器原理為［6］:首先建立模糊控制推理方法與模糊量隸屬函數(shù);然后將輸入信號(hào)的精確量離散化和模糊化，變?yōu)槟：克腿肽：袆e模塊通過模糊控制推理方法作相應(yīng)判別;最后將模糊控制處理結(jié)果輸出。

模糊控制針對(duì)難以建立精確數(shù)學(xué)模型和存在參數(shù)變化及負(fù)載干擾的非線性系統(tǒng)有較強(qiáng)的針對(duì)性和應(yīng)用效果［7］。同時(shí)能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜性，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)適應(yīng)性與魯棒性。所以在具有非線性和負(fù)載變化與環(huán)境干擾較大的光伏逆變系統(tǒng)中引入模糊控制器。

1.3 雙模式切換暫態(tài)分析

光伏逆變器在獨(dú)立工作時(shí)主要控制穩(wěn)定電壓輸出［8］，并網(wǎng)工作時(shí)主要控制并網(wǎng)電流，故需要采用雙工作模式控制。工作模式切換有兩種情況:在電網(wǎng)異常或者收到斷網(wǎng)指令時(shí)，逆變輸出通過切換電路與電網(wǎng)斷開，與負(fù)載連接并給負(fù)載供電，由獨(dú)立工作模式轉(zhuǎn)為并網(wǎng)工作模式;在電網(wǎng)正常時(shí)逆變器接收到并網(wǎng)指令后，逆變輸出通過切換電路與電網(wǎng)連接并輸出并網(wǎng)電流，由并網(wǎng)工作模式轉(zhuǎn)為獨(dú)立工作模式。

(1)獨(dú)立模式切換為并網(wǎng)模式暫態(tài)分析。獨(dú)立模式下光伏逆變器作為獨(dú)立電壓源給負(fù)載提供穩(wěn)定電壓uO，在t1時(shí)刻切換電路動(dòng)作，逆變器輸出連接到電網(wǎng)，此時(shí)負(fù)載電壓uO被強(qiáng)制突變?yōu)殡娋W(wǎng)電壓ug。突變量為

同時(shí)，由于獨(dú)立模式下為電壓控制，切換為并網(wǎng)模式的電流控制時(shí)導(dǎo)致并網(wǎng)前輸出值突變?yōu)椴⒕W(wǎng)需求的最大功率跟蹤的電流給定輸出值。突變?cè)隽繛?/p>

式中:Ic為并網(wǎng)模式和獨(dú)立模式下的電流輸出值瞬時(shí)值;θ 為并網(wǎng)模式和獨(dú)立模式下的輸出阻抗引起的電流與電壓相位差。

(2)并網(wǎng)模式切換為獨(dú)立模式暫態(tài)分析。并網(wǎng)模式下，光伏逆變器處于電流源輸出控制模式，負(fù)載電壓uO為電網(wǎng)電壓ug，逆變器輸出電流為并網(wǎng)模式下電流控制算法的電流ic?？刂颇Ｊ角袚Q時(shí)，逆變器電壓閉環(huán)控制電壓產(chǎn)生變化，同時(shí)切換為獨(dú)立模式時(shí)電流環(huán)控制對(duì)象給定值發(fā)生突變，電流突變量為

綜上，在工作模式切換過程中，控制不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生輸出電壓電流畸變，對(duì)負(fù)載產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊。所以在切換過程中應(yīng)該保證電壓電流突變量越小越好，避免產(chǎn)生輸出畸變對(duì)負(fù)載和逆變器系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。

2 雙模式逆變器控制系統(tǒng)

雙模式逆變器控制系統(tǒng)需要在獨(dú)立/并網(wǎng)模式下分別控制輸出電壓與電流，同時(shí)需保證獨(dú)立/并網(wǎng)雙模式切換時(shí)逆變器輸出跟蹤電網(wǎng)電壓以減小突變量，避免出現(xiàn)電壓電流突變對(duì)負(fù)載與逆變器系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。

2.1 模糊控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)模糊控制原理，需選取適當(dāng)?shù)妮斎肱c輸出變量［9］。本系統(tǒng)采用雙輸入單輸出控制模式。選取逆變器系統(tǒng)模糊控制器輸出變量為IGBT 的占空比，即通過調(diào)整開關(guān)器件占空比在獨(dú)立于并網(wǎng)模式下分別調(diào)整輸出電壓uO與電流io。在獨(dú)立模式下選取輸出濾波電感uL與輸出電壓誤差ΔuO作為輸入變量。在并網(wǎng)模式下選取輸出濾波電感電流誤差量ΔiL及輸出電感電壓uL為輸入變量。選取濾波電感參數(shù)作為輸入變量可消除由于LC 濾波電路產(chǎn)生的非線性影響。

圖3 為設(shè)計(jì)獨(dú)立/并網(wǎng)模式下的模糊控制器隸屬函數(shù)。系統(tǒng)共設(shè)計(jì)7 個(gè)模糊子集:NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB，分別代表正大、正一般大、正小、零、負(fù)小、負(fù)一般大、負(fù)大。輸入量經(jīng)過隸屬函數(shù)模糊化處理后按端模糊規(guī)則繼續(xù)處理。

圖3 隸屬度函數(shù)

系統(tǒng)采用雙輸入單輸出模式建立模糊規(guī)則，模糊規(guī)則以if-then 語句形式建立控制規(guī)則，并利用DSP 程序作模糊推論。設(shè)計(jì)合理的模糊控制規(guī)則，輸入為uL、ΔuO、ΔiL，輸出值為占空比k，并由Matlab 仿真得出模糊控制規(guī)則曲面圖如圖4 所示。

圖4 模糊控制規(guī)則曲面圖

最后，將經(jīng)過模糊規(guī)則處理的信號(hào)值作解模糊化處理，利用加權(quán)平均法［10］得出判決結(jié)果，即可得到輸出值:

式中:k 為判決結(jié)果;μ 為隸屬度;ui為規(guī)則表中對(duì)應(yīng)元素。

2.2 獨(dú)立/并網(wǎng)雙模式切換控制策略

由獨(dú)立/并網(wǎng)雙模式切換暫態(tài)分析可知，切換過程需要盡量避免出現(xiàn)電壓、電流突變量對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊［11］。下面設(shè)計(jì)切換控制流程保證切換過程平滑過渡。

(1)獨(dú)立模式切換為并網(wǎng)模式的控制策略。逆變系統(tǒng)在獨(dú)立供電模式下，以系統(tǒng)內(nèi)部控制信號(hào)為基準(zhǔn)控制系統(tǒng)穩(wěn)定電壓輸出。收到并網(wǎng)信號(hào)時(shí)，此時(shí)的逆變系統(tǒng)輸出與電網(wǎng)電壓幅值、頻率與相位都可能存在差異［12］。在并網(wǎng)切換開關(guān)動(dòng)作之前，通過數(shù)字鎖相程序［13］，使逆變器輸出電壓與電網(wǎng)匹配。

首先經(jīng)過DSP 比較計(jì)算出市電與逆變器輸出相位差及市電頻率后，設(shè)置DSP 的脈寬調(diào)制中斷子程序，將計(jì)算得出的相位差值與需要跟蹤的市電頻率送入PWM 中斷中，計(jì)算得出實(shí)時(shí)的逆變器參考正弦波，通過逐步調(diào)整逆變器輸出波形的頻率以逐漸跟蹤上市電相位。當(dāng)相位差值為零時(shí)，逆變器恢復(fù)市電頻率輸出，完成鎖相。

獨(dú)立模式下為電壓控制算法。在完成逆變器輸出鎖相后，逆變器電壓與電網(wǎng)電壓保持匹配。鎖相完成后切換控制算法，由電壓控制轉(zhuǎn)為電流控制，并將負(fù)載電流作為控制初值以保證平滑過渡。此時(shí)，由于不同負(fù)載的性質(zhì)不一樣，可能存在逆變器輸出電壓與電流存在相差［14］。選擇負(fù)載電流過零點(diǎn)啟動(dòng)切換開關(guān)，可有效避免電流沖擊。啟動(dòng)切換后為避免電壓控制轉(zhuǎn)為電流控制產(chǎn)生沖擊，在切換完成到穩(wěn)定并網(wǎng)工作階段實(shí)施逐步調(diào)整電流，避免系統(tǒng)出現(xiàn)沖擊。

(2)并網(wǎng)模式切換為獨(dú)立模式的控制策略。逆變系統(tǒng)在并網(wǎng)模式下，系統(tǒng)作輸出電流控制，保證最大功率并網(wǎng)。輸出電流通常大于負(fù)載工作電流［15］。

在接收到切換指令時(shí)，首先將負(fù)載電流信號(hào)送入DSP 作為參考電流值送入并網(wǎng)模式下的電流控制，將逆變器輸出電流逐步減小為負(fù)載電流。完成電流調(diào)整后，由于此時(shí)并網(wǎng)過程逆變電壓與電網(wǎng)電壓保持匹配，故可以保持電流控制并實(shí)施電路切換。切換完成后，控制模式由電流控制轉(zhuǎn)化為獨(dú)立模式下的電壓控制。

在該切換控制策略中，通過對(duì)逆變輸出電壓電流的有效控制及切換時(shí)刻合理選取，有效避免出現(xiàn)電壓電流瞬態(tài)沖擊對(duì)系統(tǒng)和負(fù)載產(chǎn)生影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述分析設(shè)計(jì)，基于TMS320LF2812 設(shè)計(jì)制作了一套基于模糊控制的雙模式光伏逆變器樣機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)樣機(jī)參數(shù)為:額定交流輸出電壓220 V;額定輸出功率3 kVA。

圖5 所示為逆變器獨(dú)立模式切換為并網(wǎng)模式的實(shí)驗(yàn)波形，圖6 所示為逆變器由并網(wǎng)模式切換為獨(dú)立模式的實(shí)驗(yàn)波形，1 號(hào)通道信號(hào)為負(fù)載電壓波形，2 號(hào)通道為逆變器輸出電流波形。

圖5 模式切換控制流程

圖6 實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于模糊控制的雙模式光伏逆變并網(wǎng)系統(tǒng)控制策略，并根據(jù)控制方案基于DSP設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)裝置。運(yùn)用DSP 的高效可靠的數(shù)字化性能，實(shí)現(xiàn)了逆變器輸出實(shí)時(shí)跟蹤市電輸出并且在負(fù)載變化時(shí)具有較強(qiáng)的魯棒性，同時(shí)工作模式切換過程中實(shí)現(xiàn)平滑過渡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制策略穩(wěn)定可靠，適用于帶負(fù)載的雙模式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

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