丁娛樂，趙樹權(quán)，李金航，劉向辰

(1.昆明工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣學(xué)院，昆明 650302；2.昆明理工大學(xué)津橋?qū)W院 計(jì)算機(jī)信息學(xué)院，昆明 650101；3.中國航空工業(yè)蘭州萬里航空機(jī)電有限責(zé)任公司航空機(jī)電研究院，蘭州 730000)

0 引 言

分布式發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)運(yùn)行時，逆變器與電網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)容易出現(xiàn)諧波，影響其正常運(yùn)行。文獻(xiàn)[1]基于下垂控制對并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)組成的互聯(lián)系統(tǒng)展開研究，采用虛擬阻抗法[2]來提高并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)組成的互聯(lián)系統(tǒng)的相頻裕度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對逆變器在并網(wǎng)時，頻率同步震蕩的問題，文獻(xiàn)[3]將無源阻尼諧振峰值抑制方法應(yīng)用到準(zhǔn)比例諧振控制中，根據(jù)公共耦合點(diǎn)[4-5]電網(wǎng)阻抗參數(shù)的變化實(shí)時調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，保證了并網(wǎng)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。文獻(xiàn)[6]以T型三電平逆變器為研究對象，對傳統(tǒng)PSO[7-8]算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提出一種自適應(yīng)PSO算法，通過自適應(yīng)PSO算法篩選出2組解，并討論了不同解對抵消特定次諧波的性能，有效抑制了逆變器輸出電流中諧波的污染。文獻(xiàn)[9]提出一種并網(wǎng)逆變器開關(guān)頻率保持不變的模型預(yù)測控制[10-11]，該控制策略將最優(yōu)開關(guān)序列作為模型預(yù)測的目標(biāo)函數(shù)，通過求解目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解來確定最優(yōu)開關(guān)序列所在的扇區(qū)，減小了計(jì)算量的同時也提高了系統(tǒng)的靜態(tài)性能和動態(tài)性能。

本文提出一種基于偏差解耦擾動觀測器的L型逆變器Fuzzy-PI電流環(huán)控制策略。該策略是將電感參數(shù)變化時，dq軸間電流耦合引起的電壓誤差視為擾動量，利用擾動觀測器估計(jì)出該擾動量并反饋至輸入端，可以有效解決dq軸電流耦合問題；同時，為了提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，用Fuzzy-PI控制替代傳統(tǒng)PI控制，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本控制策略可以提高系統(tǒng)的魯棒性和動態(tài)性能。

1 偏差解耦擾動觀測器

圖1為傳統(tǒng)偏差解耦控制原理圖。

圖1 傳統(tǒng)偏差解耦控制原理圖

(1)

由式(1)可以得到電流的傳遞函數(shù)為

(2)

其中,

2 基于偏差解耦擾動觀測器的L型逆變器

為了解決偏差解耦控制中電感參數(shù)變化引起dq軸電流耦合問題，在偏差解耦控制中引入擾動觀測器。該方法是將dq軸電流耦合和電感參數(shù)變化所造成的電壓誤差當(dāng)做擾動信號，利用擾動觀測器實(shí)時估算出該電壓擾動信號，反饋到輸入端，用于抵消擾動信號對系統(tǒng)造成的影響?；谄罱怦顢_動觀測器的L型逆變器控制原理如圖2所示。

圖2 基于偏差解耦擾動觀測器的L型逆變器控制原理圖

圖2中，1/(R+Ls)為L型逆變器實(shí)際模型、1/(Rs+Lxs)為L型逆變器標(biāo)準(zhǔn)模型。

對于擾動觀測器的設(shè)計(jì)，Q(s)的選擇非常重要，只有當(dāng)Q(s)的相對階次≥1/(Rx+Lxs)的相對階次時，擾動觀測器才能實(shí)現(xiàn)其功能。因此，Q(s)選用低通濾波器，其函數(shù)如下所示。

(3)

式中，Tf為時間常數(shù)，不同Tf對應(yīng)不同的截止頻率，本文取Tf=0.2 ms。圖2中解耦表達(dá)式為

(4)

式中，U=(1-Q(s))(R+sL)+Q(s)(Rx+sLx)+G(s)。對式(4)進(jìn)行整理，可得id、iq電流的傳遞函數(shù)為

(5)

其中，

在中低頻段，令Q(s)=1，此時h2=h3=0且h1/Δ2=h4/Δ2=G(s)Gx(s)/(1+G(s)Gx(s))，說明即使存在干擾，系統(tǒng)輸入與輸出的傳遞函數(shù)依然是一個標(biāo)準(zhǔn)模型，dq軸間的電流耦合被有效抑制，證明系統(tǒng)具有較好的魯棒性。

3 基于偏差解耦擾動觀測器的L型逆變器Fuzzy-PI電流環(huán)控制

偏差解耦擾動觀測器應(yīng)用在L型逆變器中，可以有效抑制在電感參數(shù)發(fā)生變化時，dq軸電流的耦合效應(yīng)，提高系統(tǒng)的魯棒性，但G(s)作為一個傳統(tǒng)PI控制器，雖然原理簡單，容易實(shí)現(xiàn)，但其調(diào)節(jié)性能和調(diào)節(jié)時間之間存在矛盾，因此為了提高系統(tǒng)的動態(tài)控制能力，用Fuzzy-PI取代傳統(tǒng)PI控制。Fuzzy-PI控制建立在模糊控制理論的基礎(chǔ)上，將模糊控制理論、PI參數(shù)調(diào)節(jié)等信息應(yīng)用到控制系統(tǒng)中。通過運(yùn)用模糊推理對PI參數(shù)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)以獲得最佳的控制參數(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模糊自適應(yīng)PI控制原理圖

根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差等要求，優(yōu)化出一組初始PI參數(shù)，即KP0、KI0，并分析得到這三個參數(shù)對系統(tǒng)控制的影響；其次構(gòu)建誤差量e、誤差變化率ec還有ΔKP、ΔKI等幾個控制參數(shù)之間的模糊推理關(guān)系；最后，在計(jì)算過程中對誤差量e、誤差變化率ec進(jìn)行在線檢測，制定模糊規(guī)則實(shí)現(xiàn)模糊推理，通過實(shí)時查詢模糊矩陣規(guī)則表對參數(shù)KP、KI在線整定，滿足不同時刻的e和ec對控制參數(shù)的要求。

令ΔKP、ΔKI為模糊控制器的輸出參數(shù)，那么模糊自適應(yīng)PI參數(shù)整定為

(6)

式中，rP、rI為矯正速度。

圖4為Fuzzy-PI控制器在線校正流程圖，F(xiàn)uzzy-PI調(diào)節(jié)器的作用需要通過不斷的檢測和ec，找出KP、KI與e和ec之間的模糊關(guān)系。

圖4 Fuzzy-PI控制器整定流程圖

基于偏差解耦擾動觀測器的L型逆變器Fuzzy-PI電流環(huán)控制如圖5所示。

圖5 基于偏差解耦擾動觀測器的L型逆變器Fuzzy-PI電流環(huán)控制原理圖

在進(jìn)行模糊推理前，先由系統(tǒng)的等效模型優(yōu)化出初始的PI參數(shù)，即KP0=5.0、KI0=0.01；在根據(jù)Fuzzy-PI控制原理整定出對應(yīng)的系數(shù)，即e=1.5、ec=2.5，在從模糊規(guī)則表中推算出控制參數(shù)ΔKP、ΔKI，最后計(jì)算出Fuzzy-PI控制器輸出的實(shí)際參數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證所提出方案的有效性，本文設(shè)計(jì)了基于TMS320F28335為核心的DSP控制系統(tǒng)，DS2004板卡負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集,電力電子驅(qū)動板卡DS5202用于得到三相橋六個功率開關(guān)的驅(qū)動信號，示波器選擇Tektronix公司的MDO4104B-3型示波器。實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)如圖6所示。逆變器控制PCB板如圖7所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)簡圖

圖7 逆變器控制PCB板實(shí)物圖

圖7中，右側(cè)電路板為逆變器控制板，包括母線電壓、母線電流采樣、相電流采樣；A/D轉(zhuǎn)換；PWM輸出等電路。左側(cè)為逆變器驅(qū)動板，包括：軟上電電路、IGBT驅(qū)動電路等。

逆變器主要參數(shù)如表1所示。

表1 逆變電路系統(tǒng)參數(shù)

4.1 dq軸電流解耦特性分析

圖8 基于傳統(tǒng)偏差解耦控制下的dq軸電流波形

圖9 基于偏差解耦擾動觀測器的L型逆變器Fuzzy-PI電流環(huán)控制下的dq軸電流波形

4.2 輸出電流動態(tài)特性分析

圖10 輸出電流動態(tài)特性分析圖

從圖10(a)可以看出，基于偏差解耦擾動觀測器的L型逆變器PI電流環(huán)控制下的a相輸出電流調(diào)節(jié)時間為41 ms。從圖10(b)可以看出，基于偏差解耦擾動觀測器的L型逆變器Fuzzy-PI電流環(huán)控制下的a相輸出電流調(diào)節(jié)時間為30 ms。證明了本文所提出控制系統(tǒng)在d軸參考電流發(fā)生突變時，具有良好的動態(tài)響應(yīng)速度。

5 結(jié) 語

本文提出一種基于偏差解耦擾動觀測器的L型逆變器Fuzzy-PI電流環(huán)控制策略。

通過實(shí)驗(yàn)分析得到本文所提方案可以有效解決dq軸電流耦合問題基于偏差解耦擾動觀測器的L型逆變器Fuzzy-PI電流環(huán)控制系統(tǒng)不僅在電感參數(shù)發(fā)生變化時，能夠有效抑制dq軸電流之間的耦合問題；并且在d軸參考指令電流發(fā)生突變時，仍然能夠保證良好的動態(tài)特性。