基于模糊PI控制的双向变流器的设计与实现

袁凯， 胡平， 张志涛

(1.长安大学 电控学院，陕西 西安 710000；2.陕西工业职业技术学院 电气学院，陕西 咸阳 712000)

0 引 言

近些年来，雾霾问题日趋严重，由光伏发电和风力发电为主体的分布式电源得到了前所未有的关注。随着清洁能源份额的不断提高，区域能源自制的需求也越来越受到重视，基于分布式能源的智能微电网系统建设也如火如荼。微电网系统就是由分布式电源、负荷用电、储能装置和监控系统四部分组成，是一个能够实现自我控制、自我管理和自我保护的自治系统[1-2]，通过微电网系统的设计，加入储能变流系统，来调节并网测的电压与频率[3-4]。本文通过分析一种单极性双向储能变流器的拓扑结构及其工作原理，提出了该拓扑结构在不同状态下的控制策略，采用双环解耦与模糊PI控制器结合的控制方法，实现了智能微电网系统并离网切换时电网电压和电流的稳定性。

1 双向储能变流器拓扑结构

双向储能变流器是(Power Convertor System, PCS)连接蓄电池系统与交流母线之间的DC/AC逆变器，可以进行能量的传输与电能方式的改变[5]。蓄电池储存的是直流电，无法直接连接到电网上，它是通过DC/AC逆变器与SPWM控制单元完成电能双向转换。储能变流柜的三相全桥变流器拓扑结构中，蓄电池接口侧为直流侧，电网接口侧为交流侧，两侧通过逆变电路、变压器、滤波器实现DC/AC转换[6-7]。如图1所示。

图1 三相全桥变流器拓扑结构

2 储能变流器系统控制策略设计

良好的控制策略是维持储能系统稳定的关键，储能变流器原理上相当于逆变器，需要保持母线上的电压与功率稳定[8-9]。对于不同类型的分布式电源，不同类型的储能设备，实际上就是对电力电子变流器接口的控制。微电网双向储能变流器的控制策略主要有恒压定频控制策略与恒功率控制策略[10]。

2.1 并网P/Q控制策略

恒功率控制策略是微电网并网模式下的各个微源的控制策略[11-12]，采用的是电网电压定性的P/Q解耦控制策略，其中外环为功率控制，内环为电流控制[13]。其数学模型是首先将三相电压通过Park变换方法变换到旋转坐标系d-q轴上，得到逆变器电压方程如式1所示。

(1)

式中:vd，vq为逆变器出口电压；ωLiq,ωLid为d-q交叉耦合项。最后，通过新增的补偿环节就可以减小电网上的电压与d-q轴交叉耦合的影响和对电流的解耦控制。得到的d-q轴电压通过Park反变换得到逆变器控制波，在经过正弦脉宽调制后即可得到逆变器输出的三相电压。

2.2 基于下垂控制的孤岛U/F控制策略

逆变器U/F控制策略[14-15]，是微电网主从控制模式下的一种控制策略，在微电网实时孤岛运行状态，可以提供稳定的电压和恒定的频率。与P/Q控制一样都采用双闭环控制，内环采用电流控制，外环则采用电压控制。电流内环可以利用反馈机制构成电流随动系统，从而更加有效地降低干扰的影响，大大地增加了变流器节制系统的带宽，减少了输出电压的谐波含量和逆变器的响应时间，加强了抗干扰能力。外环的电压环节则保证稳定的电压输出，提高了动态性能和稳定了系统精度。

2.3 基于下垂特性的模糊PI控制器

微电网在不同的工况下采用不同的控制策略，在不同模式下的切换会存在着电压控制模式和电流控制模式的交互切换。为了防止切换时的电压突变问题导致的系统崩溃现象，基于原有的微电网控制系统中的电压外环与电流内环的双闭环的控制策略中，在电压外环处增添模糊PI控制器。一方面调节并离网转换时电压的突然变化导致的系统不稳定，保证模式间的平稳过渡。另一方面可以稳定负载端电压，提髙负载电压的稳态精度同时，为电流内环的输入提供参考信号。

模糊 PI 控制器环节的设计，按照设计模糊PI控制器的步骤来进行对控制器的设计，其中控制器的初始参数选用经典的Ziegler-Nichols方法求取。结合实际工程中的应用和实验原理，选取微电源逆变器的输出电压误差e和误差变化率ec作为本文所设计的模糊PI控制器的双输入，来达到不同时刻e、ec改变时控制器实现参数自调节与分配的目的。控制器通过进行模糊推理和运算就可以解得当前时刻的控制参数 Δkp、Δki，实现参数的自整定，如式(2)所示。

(2)

设定相对应的输入输出语言变量，其论域区间为{-2,-1 ,0,1,2}，语 言 值 为 { NB , NS ,0, PS , PB } 分 别 表 示{负大，负小，零，正小，正大} 。微电源逆变器输出端电压偏差以及偏差变化率都是具有实际意义的物理量，模糊PI控制器设定的模糊论域可能与其实际论域范围不符，因此需要将电压偏差和其偏差的变化率进行相应的处理才能作为控制器的输入。因此在工程应用中引入偏差量化因子、偏差量化率因子来实现输入量的转换，使其实际论域在模糊控制器论域范围内，这样隶属度函数才可以找到与之相对应的语言变量来进行描述，才能被控制器识别并且产生有效的控制策略。模糊控制器设计的核心是结合微电源逆变系统的特点并和工程设计人员实际操作经验，建立合适的模糊规则。在确定输入量e和ec相应的语言值后，根据建立好的模糊控制规则表，经过模糊推理得出修正量Δkp、Δki的模糊子集。如表1、表2所示。

表1 Δkp模糊控制规则表

表2 Δki模糊控制规则表

解模糊过程是将模糊控制量转化为精准量的过程，模糊控制器通过推理得到的输出量是一个模糊量，无法直接参加设计，需要进行解模糊过程，将输出值规定在一定范围内，并在其中确定一个最优值来作为控制输出量。本设计采用重心法进行解模糊控制，输出控制量的精确值的求取方法如式(3)所示。

(3)

3 试验分析

为了验证所设计基于模糊PI 双闭环控制系统对微电网不同运行工况下的控制性能，基于以上原理，搭建了50 kW铅酸电池双向储能变流器硬件样机，控制单元采用DSP控制芯片。蓄电池组为铅酸电池组，由24块12 V电池串联而成。双向变流器系统主要参数：额定输出功率50 kW，最大直流电流282 A，允许电网电压波动范围310 V～450 V，独立逆变峰值系数(CF)为3∶1。与组态软件通信方式为以太网与RS485。分别对微电网孤岛模式运行和并网模式运行、微电网孤岛运行和并网运行之间模式切换的运行情况进行试验分析。

图2 并网实时电压图

图2所示为在并网情况下，双向储能变流器处在恒压模式下储能单元实时电压图。曲线1为直流电压。从图中可以看出，在并网模式下，储能变流器控制采用P/Q双环控制，在大电网的影响下，储能单元功率、电压十分稳定，趋于水平线。此时电网电压提供稳定的电压与频率，因此验证了试验机并网状况下P/Q策略的稳定性。

图3 孤岛实时电压图

图4 并离网切换电压图

图5 并离网切换电流图

图6 模糊控制调节后电压图

图7 模糊控制调解后电流图

图3是手动情况下并网转离网时储能单元实时电压图。此时没有电网接入，整个微网系统由蓄电池组作为主控单元，由于大电网的撤离，并且光伏发电与风力发电的电能不稳定性，电压与电流有个小幅度变化，主控单元控制策略由P/Q控制变为U/F控制，储能系统提供稳定的电压与频率，维持整个微网的稳定电压，几秒后趋于新的稳定状态，彻底实现了孤岛运行。

当电网出现故障时，系统自动实现离网。当检测到电网故障清除后，系统重新连入并网运行，实现无缝切换技术，可以有效地保证用电安全与质量。为了更好地进行策略的比较，分别进行了传统控制策略与添加模糊PI控制器的新型控制策略。图4为微电网在并网转孤岛运行下的传统实时电压图，图5是传统实时电流图。从试验效果图可以看出，在离网切换至孤岛运行模式下时，电压与电流峰值较大，对电网与设备有着较大冲击。容易对电气设备产生危害，并造成安全隐患。

图6为微电网由并网转孤岛运行下的改进后的实时电压图，图7是改进后的实时电流图。由于模糊PI控制器的调节，电压峰值与电流峰值明显降低，变化趋于平稳，对设备损害冲击较小，试验证明模糊PI控制策略可以更好地保证系统稳定运行，电流与电压波动畸变小，可以快速响应电网变化，满足控制要求。

4 结束语

本文主要介绍了单极性双向储能变流器的拓扑结构，比较了传统的P/Q与U/F控制，并在此基础上提出了模糊PI控制器的概念，在并网转孤岛时可以很好地控制电压稳定，不会出现极端峰值电压的情况，使得切换更加稳定与安全，在此基础上搭建了硬件平台，试验效果表明该控制策略可以很好地应用在工程实践。