孟志強(qiáng) 張 凱 周華安 邵 武

1(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 湖南 長沙 410082) 2(湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院 湖南 長沙 410082)

?

模糊PID控制技術(shù)在單級高PFC拓?fù)涔夥M器設(shè)計(jì)中的研究應(yīng)用

孟志強(qiáng)1張 凱1周華安2邵 武1

1(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 湖南 長沙 410082)2(湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院 湖南 長沙 410082)

研究一種采用基于模糊PID控制的單級高PFC(power factor correction)拓?fù)涔夥姵啬M器。通過這種變流器拓?fù)淇赏瑫r實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)校正以及對實(shí)際光伏電池輸出I-V特性曲線的跟蹤模擬。采取Psim和Matlab/Simulink聯(lián)合仿真對所設(shè)計(jì)的模擬器系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析與研究。仿真結(jié)果表明，無論是在靜態(tài)條件還是外界條件動態(tài)變換下該模擬器系統(tǒng)及其控制算法具有快速響應(yīng)速度和高控制精度。與普通模糊控制算法進(jìn)行了仿真對比分析，結(jié)果顯示該算法具有更好的適用性。

光伏模擬器 功率因素校正 BOOST變換器 模糊PID Matlab/Simulink Psim

0 引 言

太陽能光伏發(fā)電的研究越發(fā)受到人們的關(guān)注。在實(shí)際研究中，常用一套輸出伏安特性與實(shí)際光伏電池輸出伏安特性近似一致的光伏電池模擬器系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)用電源來代替光伏電池板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。使得光伏發(fā)電的實(shí)驗(yàn)研究不受外界環(huán)境條件的限制，可實(shí)時重復(fù)性地再現(xiàn)實(shí)際光伏電池的輸出特性，大大減少研發(fā)成本和周期，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度[1-2]。

太陽能光伏電池模擬器現(xiàn)階段的研究主要集中在三個方向：(1) 光伏電池工程數(shù)學(xué)模型的建立[3-5]；(2) 模擬器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[6-7]；(3) 控制算法的研究[8-9]。光伏電池模擬器主電路結(jié)構(gòu)大多數(shù)是采用常見的直流斬波電路，沒有考慮到不可控整流橋與輸出濾波穩(wěn)壓電容的搭配組合會因較低的功率因數(shù)給電網(wǎng)帶來諧波污染。同時，現(xiàn)有模擬器跟蹤控制算法的控制效果也不是十分理想。

本文研究基于一種單級BOOST型功率因數(shù)光伏電池模擬器。該模擬器主電路采用第三繞組實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)校正及對實(shí)際光伏電池輸出特性的跟蹤模擬。設(shè)計(jì)一種基于電流反饋的模糊PID控制算法，該算法充分結(jié)合了模糊控制算法和傳統(tǒng)PID控制算法，算法可以不依賴被控系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型。設(shè)計(jì)較為簡單，抗干擾性強(qiáng)，動態(tài)響應(yīng)迅速，跟蹤模擬性能優(yōu)良，尤其適合對光伏電池這類強(qiáng)非線性系統(tǒng)的控制。通過Matlab中的Simulink與Psim的聯(lián)合仿真結(jié)果顯示,本文所設(shè)計(jì)的這套模擬器及控制算法能夠快速、穩(wěn)定地追蹤參考工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)各種條件下I-V特性曲線[10-11]的完整模擬,超調(diào)量小于3.2%,穩(wěn)態(tài)誤差小于4.6%，而紋波系數(shù)小于1.5%，跟蹤時間小于0.006 s。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

光伏模擬器系統(tǒng)基本上都是由主電路和控制電路兩部分組成。如圖1所示，主電路主要由不可控整流橋、單級功率變換器電路及負(fù)載組成。而控制電路則是如圖2所示分為檢測采樣電路、驅(qū)動保護(hù)電路，DSP控制器及輔助電源等。單級功率變換器完成有源PFC功率因數(shù)校正和光伏電池輸出I-V特性曲線的跟蹤模擬?？刂齐娐凡杉夥M器的輸出電壓Vo與電流Io，通過光伏電池工程數(shù)學(xué)模型求得模擬器參考輸出電流Iref，并與模擬器的實(shí)際輸出電流Io比較得出電流誤差改變量作為模糊PID控制器的輸入。經(jīng)過模糊控制器的處理得到PID控制器三參數(shù)的改變量，再對PID初始參數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步得到單級BOOST型變換器功率開關(guān)管的占空比。通過對占空比的控制從而實(shí)時控制光伏模擬器的輸出電壓及電流跟隨光伏電池輸出特性曲線。

圖1 光伏模擬器控制部分

圖2 光伏模擬器主電路部分

1.2 單級高PFC的BOOST型變換器

單級高PFC的BOOST變換器如圖3所示，同時實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)校正和DC/DC變換功能，由輸入電感Li，儲能電容Cb、電力MOSFET、三繞組變壓器及倍流整流電路等組成。根據(jù)流過輸入電感Li及輸出電感Lo的電流狀態(tài)，PFC級和DC/DC級分別有斷續(xù)(DCM)、臨界和連續(xù)(CCM)三種工作模式。在占空比一定時，BOOST變換器如果工作在電流斷續(xù)模式下，輸入電流就會自動跟隨輸入電壓，提高功率因數(shù)。這樣，對功率開關(guān)管的控制只需要考慮實(shí)現(xiàn)模擬器輸出I-V特性的功能就可以了。為了提高DC/DC級的效率、減少電流應(yīng)力，DC/DC級一般會工作在連續(xù)導(dǎo)通模式。

圖3 單級高PFC的BOOST變換器

模擬器輸出達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，一個開關(guān)周期內(nèi)，其工作過程分為五個線性階段：

(1) 第一階段：開關(guān)管S開通，D1、D2、D6正向?qū)ǎ籇2、D3、D4關(guān)斷。S開通，電源給儲能電感Li充電，同時儲能電容Cb通過S經(jīng)由變壓器原邊繞組將能量傳遞到副邊，在負(fù)載上得到近似穩(wěn)恒的直流。

(2) 第二階段：S關(guān)斷，D2、D3、D4導(dǎo)通，D1、D5、D6關(guān)斷。輸入電感電流通過二極管D3續(xù)流并對儲能電容Cb充電。這個階段輸出電感Lo提供輸出功率。

(3) 第三階段 ：S關(guān)斷，D2，D4導(dǎo)通，D1、D3、D5、D6關(guān)斷。這個階段，輸入電感電流減為0，二極管D3反向截止，施加在勵磁電感Lm和輸出電感Lo上的電壓值分別為(-VCb/m)和(-Vo)。

(4) 第四階段：S關(guān)斷，D4導(dǎo)通，D1～D3、D5、D6關(guān)斷。輸出電感電流減為0，加在電感Lo上的電壓值為(-VCb/m)，電感電流繼續(xù)線性下降。這個階段輸出電容Co提供輸出功率。

(5) 第五階段：S關(guān)斷，D1～D6關(guān)斷。勵磁電流減為0，二極管D4截止。 當(dāng)下一個開關(guān)周期到來時，開關(guān)S再次開通，電路的工作狀態(tài)重復(fù)前面的五個階段。

2 控制策略

2.1 模糊PID控制器工作原理

本文算法的結(jié)構(gòu)如圖4所示，通過電流電壓采樣電路采集模擬器在第n個采樣周期內(nèi)，主電路輸出的電流Io及輸出電壓Vo。并將Vo代入到光伏電池輸出I-V特性方程中得到模擬器在第n個采樣周期光伏電池的參考電流Iref后與輸出電流Io作差得到模擬器系統(tǒng)的電流誤差e(n),與上一個采樣周期的電流誤差e(n-1)作差得到模擬器系統(tǒng)在第n個采樣周期內(nèi)的電流誤差改變量ec(n)。將誤差和誤差改變量作為二維模糊控制器的兩個輸出變量，得到PID控制器的參數(shù)調(diào)整量Kp′、Ki′、Kd′，經(jīng)過PID控制器處理得到占空比增量，與上周期占空比疊加得到第n個采樣周期開關(guān)管的占空比D(n)，使模擬器的輸出與光伏電池實(shí)際工作點(diǎn)電流和電壓相匹配，達(dá)到模擬光伏電池輸出I-V特性的目的。

圖4 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

2.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

當(dāng)光照強(qiáng)度和溫度不變時，光伏電池的輸出I-V特性方程是可以唯一確定的，即其輸出特性方程式(式(1))中，C1、C2在確定光照溫度下是唯一確定的。當(dāng)負(fù)載為某一具體阻值時，光伏電池與負(fù)載兩者的I-V曲線交于點(diǎn)C，模擬器控制策略就是為讓模擬器工作在該確定交點(diǎn)C。圖5為模擬器的控制目標(biāo)示意圖。

(1)

圖5 模擬器控制目標(biāo)

如圖4所示，顯然其中e(n)和e(n-1)的表達(dá)式為：

圖1所示的兩端式同軌雙車運(yùn)行模式，同一巷道上兩臺堆垛機(jī)可以同時工作；左端堆垛機(jī)服務(wù)左端出/入庫臺，右端堆垛機(jī)服務(wù)右端出/入庫臺；兩堆垛機(jī)的工作區(qū)域根據(jù)實(shí)際工況由列劃分，以避免碰撞。

(2)

(3)

ec(n)=e(n)-e(n-1)=

(4)

本文所設(shè)計(jì)的模糊控制器輸入輸出變量的論域經(jīng)量化因子量化后均規(guī)范化為[-3,3]，隸屬度函數(shù)采用三角函數(shù)，模糊子集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

誤差e和誤差改變量ec的量化因子Ke和Kec分別取Ke=0.544，Kec=0.633。經(jīng)過不斷的實(shí)驗(yàn)及光伏電池輸出I-V曲線跟蹤模擬的控制經(jīng)驗(yàn)，可得模糊規(guī)則表1，經(jīng)過模糊規(guī)則匹配與模糊推理后，采用重心法解模糊獲得需要的精確控制量。

表1 Kp′/Ki′/Kd′模糊規(guī)則表

2.3 PID控制器設(shè)計(jì)

PID控制器原理如圖6所示，利用模糊控制算法輸出的三參數(shù)變化量Kp′、Ki′、Kd′對PID控制器的參數(shù)進(jìn)行適時調(diào)整。根據(jù)PID控制器的輸出數(shù)學(xué)表達(dá)式可以得到開關(guān)管的占空比變化量D(n)′，從而實(shí)現(xiàn)對電路輸出的實(shí)時調(diào)節(jié)。

圖6 自整定PID控制結(jié)構(gòu)

PID控制器的輸出函數(shù)表達(dá)式為：

(5)

3 仿真結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 仿真模型

圖7 仿真控制部分電路

3.2 仿真結(jié)果及分析

光伏電池模擬器的外特性是設(shè)計(jì)模擬器的目的, 對于給定的光伏電池在一定的光照和溫度下其輸出I-V特性曲線保持不變,下面給出不同外界條件改變情況下的仿真結(jié)果和分析。

3.2.1 負(fù)載突變追蹤

本實(shí)驗(yàn)是在S=1 000 W/m2，T=25 ℃條件下，負(fù)載從8 Ω變化到15 Ω過程中，模擬器自動追蹤系統(tǒng)工作點(diǎn)的過程。在發(fā)生負(fù)載電阻值條件突變后，系統(tǒng)調(diào)節(jié)重新回到穩(wěn)態(tài)工作的時間間隔僅約為0.006 s，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差約為4.6%，紋波系數(shù)小于1.5%，超調(diào)量小于3.2%。圖8、圖9顯示的分別是負(fù)載突變過程中模擬器的輸出電流Io、電壓Vo、系統(tǒng)參考電流Iref變化。

圖8 負(fù)載突變模擬器輸出電流Io、電壓Vo仿真波形

圖9 負(fù)載突變模擬器輸出電流Io與理論電流Iref對比仿真波形

3.2.2 光照強(qiáng)度突變追蹤

本實(shí)驗(yàn)研究的是在負(fù)載Ro=10 Ω，環(huán)境溫度T=25 ℃，光照度S從900 W/m2依次跳變?yōu)?50 W/m2、850 W/m2時模擬器輸出特性及追蹤性能。如圖10所示，條件突變后重新到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時間間隔約為0.003 s。結(jié)合仿真波形可以看出，當(dāng)光照強(qiáng)度S增加時，模擬器的輸出電壓、電流均有增加，相反則減小。圖10、圖11顯示的分別是光照強(qiáng)度突變過程中模擬器的輸出電流Io、電壓Vo、系統(tǒng)參考電流Iref。

圖10 光照突變模擬器輸出電流Io、電壓Vo仿真波形

圖11 光照突變模擬器輸出電流Io與理論電流Iref對比仿真波形

3.2.3 溫度突變跟蹤

本實(shí)驗(yàn)研究的是在負(fù)載Ro=10 Ω，而光照強(qiáng)度為S=1 000 W/m2，環(huán)境溫度T從40 ℃依次跳變?yōu)?0 ℃、25 ℃時模擬器輸出特性及模擬器的追蹤性能。條件突變后重新到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時間間隔約為0.005 s。從圖12可以看出當(dāng)環(huán)境溫度升高時，模擬器的輸出電流電壓均有所減小，但是電壓減小的幅度較大，溫度降低時則均增大。而且從圖中可以看出，在溫度升高所引起的參考電流突變的程度較大。圖12、圖13顯示的分別是溫度突變過程中模擬器的輸出電流Io、電壓Vo、系統(tǒng)參考電流Iref。

圖12 溫度突變模擬器輸出電流Io、輸出電壓Vo仿真波形

圖13 溫度突變模擬器電流Io與理論電流Iref對比仿真波形

3.2.4 算法對比分析

本實(shí)驗(yàn)是在光照強(qiáng)度S=1 000 W/m2，環(huán)境溫度為25 ℃時做負(fù)載突變仿真對比研究,電阻Ro由10 Ω在0.2 s突變到15 Ω，模擬器采用普通模糊控制算法和提出的新模糊PID控制算法進(jìn)行的對比分析。從實(shí)驗(yàn)的仿真結(jié)果波形來看，相比較普通模糊控制算法的控制效果，本文所采用的新模糊PID控制算法控制效果更為理想。它結(jié)合了模糊控制算法和PID控制算法二者的優(yōu)勢，輸出特性在負(fù)載發(fā)生突變或外界環(huán)境條件發(fā)生改變后能重新追蹤到系統(tǒng)的工作點(diǎn)并保持穩(wěn)定工作狀態(tài)時間更短，前者需要0.3 s，而新算法僅需要0.24 s，而且新算法系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差小，帶來的振蕩更小。模擬器系統(tǒng)的輸出電壓電流的相對誤差更小，從而可以更好地實(shí)現(xiàn)光伏電池模擬器作為實(shí)驗(yàn)電源的要求。具體仿真結(jié)果如圖14、圖15所示。

圖14 普通模糊控制算法下輸出電流追蹤仿真波形

圖15 新模糊PID控制算法下輸出電流追蹤

4 結(jié) 語

本文主要研究基于一種具有高功率因素校正功能的BOOST型變換器，并采用新模糊PID算法控制的光伏電池模擬器。功率主電路采用的是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率高的單級BOOST型高功率因數(shù)校正AC/DC倍流整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，本文提出的主電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了輸入功率因數(shù)的校正及實(shí)現(xiàn)模擬光伏電輸出I-V曲線的功能，采用的模糊PID控制算法具有快速追蹤系統(tǒng)工作點(diǎn)、穩(wěn)態(tài)誤差小、輸出電壓電流紋波小等較出色的控制性能，基本達(dá)到預(yù)期的控制效果，可以較好地作為實(shí)驗(yàn)室光伏發(fā)電研究的實(shí)驗(yàn)用電源。

[1] Zhou Jianliang,Wang Bing,Zhang Yiming.Par-ameter identification and output power prediction of photovoltaic array based on the measured data[J].Renewable energy resources,2012,30(7):1-4.

[2] 趙劍飛,姜建國.智能太陽電池模擬系統(tǒng)的研究[J].太陽能學(xué)報(bào),2012,33(1):18-23.

[3] 傅望,周林.光伏電池工程用數(shù)學(xué)模型[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011,26(10):211-216.

[4] 程澤,董夢男,楊添剴.基于自適應(yīng)混沌粒子群算法的光伏電池模型參數(shù)辨識[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2014,29(9):245-252.

[5] 田琦,趙爭鳴,韓曉艷.光伏電池模型的參數(shù)靈敏度分析和參數(shù)提取方法[J].電力設(shè)備自動化,2013,33(5):119-124.

[6] 周華安,王海鷗,孟志強(qiáng),等.基于TMS320F2812和BUCK電路的光伏陣列模擬器[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào),2013,40(9):42-47.

[7] 王付勝,文家燕,張興,等.數(shù)字式光伏陣列模擬器[J].太陽能學(xué)報(bào),2012,33(3):494-499.

[8] 程昊,胡潔,彭穎紅.對焦運(yùn)動的模糊PID控制方法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2016,33(5):77-80.

[9] 黃文超.模糊PID控制的柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2011,28(2):148-151.

[10] 楊永恒,周克亮.光伏電池建模及MPPT控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011,26(1):229-234.

[11] 諸靜.模糊控制理論與系統(tǒng)原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

RESEARCHANDAPPLICATIONOFFUZZYPIDCONTROLTECHNOLOGYINDESIGNOFSINGLEHIGHPFCTOPOLOGYPHOTOVOLTAICSIMULATOR

Meng Zhiqiang1Zhang Kai1Zhou Huaan2Shao Wu1
1(CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,Hunan,China)2(CollegeofMechanicalandVehicleEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,Hunan,China)

In this paper, a single high PFC topological photovoltaic cell simulator based on fuzzy-PID control is studied. Through this converter topology can simultaneously achieve high power factor correction, as well as the actual PV cell output I-V characteristic curve tracking simulation. The simulation analysis and research for the designed simulator system are carried out by using Psim and Matlab/Simulink joint simulation. The simulation results show that the simulator system and its control algorithm have fast response speed and high control precision both under the static condition and the external condition dynamic transformation. At last, compared with the ordinary fuzzy control, the proposed algorithm has better adaptability.

Photovoltaic simulator Power factor correction Boost converter Fuzzy PID Matlab/Simulink Psim

2016-07-01。國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51377049)。孟志強(qiáng)，教授，主研領(lǐng)域：電力電子變換控制與應(yīng)用技術(shù)，工業(yè)過程自動化與測控系統(tǒng)。張凱，碩士生。周華安，高工。邵武，博士生。

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.08.015