陳圓圓

(商丘師范學(xué)院 河南 商丘 476000)

模糊PID控制在單相光伏逆變電源中的應(yīng)用

陳圓圓

(商丘師范學(xué)院 河南 商丘 476000)

文章對(duì)PID控制和模糊控制的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，并提出了將兩者結(jié)合組成模糊自整定PI雙閉環(huán)控制，并對(duì)控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后通過仿真，證明了該方法的有效性。

單相光伏逆變電源；模糊自整定PI雙閉環(huán)控制；數(shù)學(xué)模型；仿真

1 引言

PID控制一種比較成熟的控制算法，在逆變電源中有著廣泛的應(yīng)用。該控制算法具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和較強(qiáng)的魯棒性[1]。將PID控制引入單相光伏逆變電源，不失為一個(gè)好方法。然后光伏逆變電源隨著光照、溫度的變化而在不斷變化，因此是一個(gè)時(shí)變系統(tǒng)，且在高頻階段，所建的數(shù)學(xué)模型誤差較大，參數(shù)難以實(shí)時(shí)整定，很顯然，如果采用傳統(tǒng)的PID控制誤差較大。模糊控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型，多應(yīng)用于時(shí)變的多變量、強(qiáng)耦合、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，由于控制的簡便性使其得到了廣泛的應(yīng)用[2]。如果將模糊控制與PID控制相結(jié)合，用模糊控制解決在高頻階段逆變系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型不精確和參數(shù)不能實(shí)時(shí)整定的問題，便能夠進(jìn)一步提高系統(tǒng)的逆變效率。

2 逆變電源系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

逆變系統(tǒng)采用全橋逆變結(jié)構(gòu)，假設(shè)功率開關(guān)為理想器件，且開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于LC的頻率，則系統(tǒng)可以等效為一個(gè)二階系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1 逆變系統(tǒng)等效圖

Vi為單相全橋逆變器輸出電壓；為Lf等效電阻；Lf為濾波電感；iLf為濾波電感電流；為Cf等效電阻，Cf為濾波電容；Vcf為電容電壓；為負(fù)荷電流。假設(shè)系統(tǒng)所帶負(fù)荷為阻性負(fù)荷，且阻值為R，可得到復(fù)頻域的數(shù)學(xué)表達(dá)式P（ s）。

令采樣頻率與開關(guān)頻率相等，根據(jù)面積等效原則，以逆變器輸出電壓在每個(gè)周期的PWM波平均值作為采樣值，并將逆變橋看作零階保持器，便可將1式離散化，得到其離散數(shù)學(xué)表達(dá)式P（z）。

3 PID雙閉環(huán)控制

PID控制在單相光伏逆變電源中有著廣泛的應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)能力強(qiáng)。這種控制方法需要有精確的數(shù)學(xué)模型，且參數(shù)不能自動(dòng)調(diào)整。早期的光伏逆變電源系統(tǒng)中，往往采用的是單環(huán)的控制系統(tǒng)，即只將電壓引用了控制系統(tǒng)。這種采用單電壓環(huán)控制的系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，特別是接非線性系統(tǒng)時(shí)，性能往往滿足不了要求。

為了提高系統(tǒng)性能，將電感電流引入控制系統(tǒng)，和前面所說的電壓環(huán)構(gòu)成雙閉環(huán)控制。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)利用外部電壓環(huán)的電壓誤差控制內(nèi)環(huán)的電流，通過電流的調(diào)節(jié)，令輸出電壓穩(wěn)定在給定值上，從而提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

4 模糊控制

在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，存在大量的時(shí)變的非線性系統(tǒng)，為了解決這些復(fù)雜的，難以建出精確數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)的控制問題，出現(xiàn)了模糊控制。模糊控制基于經(jīng)驗(yàn)，采用數(shù)字化的方法，解決了復(fù)雜系統(tǒng)控制精度難的問題，是當(dāng)今智能領(lǐng)域發(fā)展最為迅速的控制算法之一。模糊控制模擬了人類的思維，但與其他智能算法相比，卻比較簡單，因此在時(shí)變的多變量、強(qiáng)耦合、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

如果將模糊控制與PID雙閉環(huán)控制相結(jié)合，就可以解決前面所說的，在高頻階段，單相光伏逆變系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型不精確，參數(shù)不能在線整定的問題。

5 模糊自整定PI雙閉環(huán)控制

模糊自整定PI雙閉環(huán)控制，是一種將模糊控制與PI雙閉環(huán)控制相結(jié)合的復(fù)合控制策略。它利用模糊控制進(jìn)行自動(dòng)在線的整定PI參數(shù)，從而提高系統(tǒng)的控制性能。

由于單相光伏逆變電源系統(tǒng)的輸出受溫度、光照的影響，且其負(fù)荷類型多變，因此要想得到良好的控制效果，必須對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整。通常采用的是在線辨識(shí)整定的方法，然而此種方法不適用于非線性、時(shí)變性的單相光伏逆變電源系統(tǒng)。將模糊控制引用，從而完美的解決了這個(gè)問題。模糊自整定PI雙閉環(huán)控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模糊自整定PI雙閉環(huán)控制器結(jié)構(gòu)圖

r為給定的電壓值，y為系統(tǒng)輸出電壓值，e和ec分別為偏差和偏差變化率，將偏差和偏差變化率同時(shí)輸入到模糊控制器中，模糊控制器通過模糊化、近似推理和清晰化后，得到ΔKp、ΔKi兩個(gè)修正量，并將他們送到PI控制器中，從而達(dá)到在線整定的目的。

7.1 接阻性負(fù)載系統(tǒng)仿真圖 (R=5Ω)：

圖3（a） PI雙閉環(huán)接阻性負(fù)載

圖3（b） 模糊自整定PI雙閉環(huán)接阻性負(fù)載

7.2 接感性負(fù)載系統(tǒng)仿真圖

圖4（a） PI雙閉環(huán)接感性負(fù)載

圖4（b） 模糊自整定PI雙閉環(huán)接感性負(fù)載

從仿真圖中可以看出，無論接阻性負(fù)載還是感性負(fù)載，模糊自整定PI雙閉環(huán)控制都比PI控制器的精度高。

[1]高軍，黎輝，楊旭，王兆安.基于 PID控制和重復(fù)控制的正弦波逆變電源研究[J].電工電能新技術(shù)，2002(1):1-4

[2]諸靜.模糊控制理論與系統(tǒng)原理[M].北京:機(jī)械出版社,2005,8.

[3]吳曉莉,林哲輝.MATLAB輔助模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2002:65-86.

K928

A

1007-6344（2016）10-0089-02