基于模糊PI控制算法的微电网并网控制策略研究

李 诚，陈定辉，凃 勇，杨少智，付文雯，曾成碧

(1. 国网四川电力公司凉山供电公司，四川西昌 615000；2. 四川大学电气信息学院，四川成都 610065)

基于模糊PI控制算法的微电网并网控制策略研究

李 诚1，陈定辉1，凃 勇1，杨少智1，付文雯2，曾成碧2

(1. 国网四川电力公司凉山供电公司，四川西昌 615000；2. 四川大学电气信息学院，四川成都 610065)

由于微电网的逆变输出波形和功率因数效果不理想，本文提出了基于模糊PI控制的双闭环微电网并网逆变控制策略，结合了模糊控制和PI控制的优点，实现双闭环控制。仿真结果表明，新控制策略控制性能良好:并网电流和大电网电压保持同相位，并网功率因数较高，并网电流最大谐波畸变率降低，滤波效果非常理想。

模糊PI控制；微电网；双闭环控制；并网逆变器

0 引 言

微电网是有效利用可再生能源的措施之一，微电网并入大电网才能保证供电可靠性[1]，良好的逆变控制策略是微电网电能质量的保证[2-4]。采用LCL滤波器的并网逆变器双闭环控制技术输出电压波形较好[5-6]。本文结合模糊控制与PI控制，实现微电网的逆变器双闭环控制。

1 微电网并网运行模式

微电网并网运行就是通过公共连接点与大电网连接，如图1所示，与外部电网并联运行时，并网电压受大电网钳制而不变。单相并网逆变器把微电源输出的直流电转换成满足系统要求的交流电，经过LCL滤波器，改善电能质量，接入外部电网，微电网也为自身的交流负荷供电。微电网并网运行时，控制系统采集并网电流作为控制信号，控制器的输出信号再经过高频脉宽调制(PWM)对并网逆变器进行控制，在保证输出高功率因数的同时，使逆变器输出接近正弦波的电流[2]。

图1 并网逆变器控制系统结构图

2 模糊PI控制算法

模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种专家控制系统[7]。常规PI控制采用固定不变的PI参数难以适应变化的环境。当偏差绝对值较大时，比例系数kp难以获得较好的响应特性。而采用模糊PI控制综合PI控制与模糊控制的优点，响应速度更快，输出波动更小。设模糊控制器的两个输入量为误差e(k)和误差变化率Δe(k)[7]，其表达式为

e(k)=e(k)-e(k-1)

(1)

(2)

该系统是一个双输入双输出系统，输入包括误差(e(k))和误差变化率(Δe(k))，通过模糊规则调节Δkp和Δki，从而调节kp和ki。本文选择并网电流作为控制信号，那么输入是并网电流误差及误差变化率，即e(k)=i2-iref及其误差变化率。输入输出一共有4个变量，定义其模糊集合为{PB,PS,ZE,NS,NB}。如图2是输入输出的隶属度函数，除PB和NB为梯形隶属度函数外，其余均为三角隶属度函数。采用Mamdani模糊推理方法，以输出电流能快速达到给定值为目标，建立模糊规则。图3是kp和ki的输出曲面图。

图2 输入输出的隶属度函数

图3 kp和ki的输出曲面

3 基于模糊控制的并网电流外环和电容电流内环的双闭环控制策略

图4 并网逆变器控制系统等效电路图

基于LCL滤波器的单相并网逆变器如图4所示。图4中Udc代表微电网中的发电系统输出的直流电源，i1是逆变器输出电流，i2是并网电流，ic是流经滤波器电容的分电流，ug是电网电压。

将逆变器的输出电压ui作为输入，并网电流i2作为输出，根据基尔霍夫定律，LCL滤波器的暂态方程如下(忽略寄生电阻)：

(3)

低频情况下LCL滤波器相当于一个单电感滤波器，其电感值L为L1+L2，其开环传递函数为

(4)

本文采用的双闭环控制系统是以电容电流作为内环，并网电流i2作为外环。控制框图如图5所示，iref是i2的电流参考值，其中kp+ki/s是PI控制器，k0=k×kPWM，kPWM只与并网逆变器本身有关，k作为加入电容电流反馈之后的增益，可调节。

图5 采用LCL滤波的双闭环并网控制结构图

电容电流作为内环和并网电流作为外环的双闭环PI控制器的开环传递函数为

(5)

当采用PI控制器后，开环传递函数为

(6)

则闭环传递函数：

(7)

其特征方程如(8)式：

D(s)=L1L2Cs4+kkPWML2Cs3+(L1+L2)s2+

kkPWMkps+kkPWMki

(8)

根据劳斯-赫尔维茨稳定性判据，系统稳定条件

L1+L2-kpL1>0

kp(L1+L2)-kkPWMkiL2C-kp2L1>0

(9)

可见系统是条件稳定的，与控制器参数的设置有关，参数kp、ki直接影响系统的稳定性和动态性能，kp和ki必须满足稳定条件(9)式。

利用模糊PI控制器实现并网电流外环i2和电容电流内环iC的双闭环控制策略，将并网电流外环i2的PI控制器改为模糊PI控制器，如图6所示。当系统中有较多非线性器件和在外界条件不断变化的情况，该控制器能够不断在线通过模糊规则调节Δkp和Δki，进而修正PI控制器的比例和积分系数(即kp和ki)。采用该控制器的双闭环控制系统具有更好的动态和鲁棒性能。为保证系统满足劳斯稳定性判据，比例和积分调节系数仍应满足式(9)。

图6 基于模糊控制的双闭环控制策略结构框图

4 系统仿真

本文基于MATLAB/Simulink平台做了相关仿真研究，包含一个400V的直流电源(Udc)，该直流电源用以代替微电网中其他形式的电源；逆变器为单相电压源型全桥逆变器，采用绝缘栅双极晶体管；滤波器采用LCL型滤波器，参数分别为[6]：L1=2mH，L2=4mH，C=2μF；电网电压为一个幅值为311V、频率为50Hz的交流电压，微电网本地负载R=4.84Ω。PI控制器的参数：kp=2.43，ki=98.1；k比例系数的值为100。

模糊控制器根据不断地检测e(k)和e(k)，对比例和积分系数进行模糊调整，系统仿真时间为0.3s，首先得到模糊控制器双输入e(k)和e(k)的波形以及输出kp和ki的波形图，如图7和图8的(a)和(b)所示，可以看出输出的kp和ki这两个调节系数的变化较小，kp和ki系数只进行了微调，不会破坏劳斯-赫维茨稳定性判据，即仍然满足式(9)，所以不影响系统的稳定条件。

图7 e(k)和Δe(k)波形图

图8 Δkp和Δki波形图

通过对比发现，基于模糊控制的双闭环控制系统，具有很好的控制性能，如图9所示，其中i2f指模糊控制，表明这两种控制方法都具有很好的控制效果，放大图形可知模糊PI控制的输出电流波形更好。仿真数据表明，双闭环并网电流最大谐波畸变率(THD)为0.49%，模糊PI控制的并网电流最大谐波畸变率为0.04%，如图10所示，模糊PI控制滤波效果非常理想。由图11可知模糊PI控制能使并网电流和大电网电压保持同相位，提供很高的并网功率因数。

图9 模糊控制和双闭环控制的并网电流波形图

图10 并网电流谐波分析图

5 结束语

本文中微电网并网逆变控制采用模糊PI双闭环控制器，结合了模糊控制和PI控制的优点，仿真结果验证了基于模糊控制的双闭环并网控制策略控制性能更好，并网电流和大电网电压保持同相位，提供很高的并网功率因数，并网电流谐波畸变率低，滤波效果非常理想，有广阔的应用前景。

[1] 王成山,李鹏. 分布式电网、微网和智能配电网的发展与挑战[J]. 电力系统自动化, 2010, 34(2): 10-14.

[2] 王成山,肖朝霞,王守相. 微网中分布式电源逆变器的多环反馈控制策略[J]. 电工技术学报, 2009, 24(2): 100-107.

[3] Russel J Kerkman, David Leggate, David W Schlegel, et al. Effects of parasitics on the control of voltage source inverters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2003, 18(1):140-150.

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[5] 徐志英,许爱国,谢少军. 采用LCL滤波器的并网逆变器双闭环并网电流控制技术[J]. 中国电机工程学报, 2009, 29(27): 36-41.

[6] 王要强,吴凤江,孙力,等. 带LCL输出滤波器的并网逆变器控制策略研究[J]. 中国电机工程学报, 2010, 31(12): 34-39.

[7] 张云红，曾成碧，吴传来，等.模糊控制在永磁同步电机调速系统中的应用[J]. 微电机，2012，45(7):69-73.

(责任编辑：杨秋霞)

Study of the Grid-connected Control Strategy for Micro-gridBased on Fuzzy PI Control

LI Cheng1，CHEN Dinghui1，TU Yong1，YANG Shaozhi1，FU Wenwen2，ZENG Chengbi2

(1. Sichuan Electric Power Company, Liangshan Power Supply Company,Xichang,615000,China;2. Electrical and Information College of Sichuan University,Chengdu,610065,China)

In this paper, due to unsatisfactory output waveform of inverter and bad power factor of micro-grid, a double closed-loop control strategy for the micro-grid inverters is presented based on combining the advantages of fuzzy control and PI control to realize double-loop control. Simulation results show that the proposed control method has good control performance, can maintain the same phase of grid-connected current as that of grid voltage, provides higher power factor, reduces the maximum harmonic distortion rate of the grid-connected current, and achieves extremely ideal filtering effect.

fuzzy PI control; micro-grid; double closed loop control; grid connected inverter

1007-2322(2015)04-0008-04

A

TM464

四川省科技支撑项目(2014GZ0069)

2014-08-15

李 诚(1977-)，男，高级工程师，主要从事电网规划研究与管理方面的工作；

曾成碧(1969—)，女，博士，副教授，通信作者,研究方向为分布式发电与微电网，E-mail:zengchengbi@sina.com。