Z源逆变器直流侧电压和MPPT的统一控制策略

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Z源逆变器直流侧电压和 MPPT 的统一控制策略李圣清，白建祥，袁黎，唐琪（湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲 412007）摘要为了使光伏并网 Z源逆变器直流侧电压保持稳定的同时并且能够获得最大功率点跟踪（ MPPT），经研究，文中采用一种模糊 PID控制策略，通过快速响应光伏列阵输出功率和输出电压的变化，经模糊控制器进行模糊推理及解模糊化后的输出量乘以比例因子，转换为 PID控制器中的比例积分微分系数变化量，最终来实现直流侧稳压和 MPPT统一控制。结果表明当外界对直流链电压具有扰动时采用该控制策略能使其较快恢复并且并网电流跟踪情况较好，因此采用模糊 PID控制策略能够保证直流侧电压稳定的同时并且实现了最大功率点跟踪。仿真实验验证了该方法的有效性。关键词 Z源逆变器；最大功率点跟踪（ MPPT）；模糊 PID；统一控制Unified Control Strategy of Z Source Inverter DC Side Voltage and MPPTLI Shengqing， BAI Jianxiang， YUAN Li， TANG Qi（ College of Electrical and Information Engineering， Hunan University of Technology， Hunan Zhuzhou 412007， China）Abstract For obtaining and stable DC-side voltageof the interconnected Z sourceinverter photovoltaic（ PV） system，a fuzzy PID control method is used to quickly responsethe changes of the PV array output power and voltage， thenthe fuzzy controller performs fuzzy reasoning， and the output is multiplied by the scaling factor to convert into thevariation of the PID controller’ s proportional integral differential coefficient. Thus， the unified control of MPPTand the voltage regulation at DC side are achieved， but also inhibited the DC voltage disturbances effectively. Theresults show that when outside disturbance to the DC link voltage exists， the proposed control strategy can rapidlyrecover the link voltage with nice grid-connecting current tracking performance. It is concluded that this fuzzy PIDcontrol strategycan ensurethe stability of DC-side voltage， and realize the maximum power point tracking. Simulationverifies the effectiveness of this method.Key words Z source inverter； maximum power point tracking （ MPPT）； fuzzy PID control； unified control0 引言Z源逆变器克服了传统逆变器的不足，不仅提高了可再生能源的利用效率，同时也增强了供电可靠性 [1]。 Z 源逆变器直流侧电压的稳定性对逆变器输出交流电压的好坏有着直接的影响。研究表明对直流侧的反馈控制能够减弱电源电压和负载变化对直流侧电压的扰动 [2-3]。而 Z 源逆变器由于直流侧电压包含直通零电压，其波形为一系列方波故不能够直接对系统进行反馈控制。并且，光伏发电系统若想保证最大功率追踪，因其非线性的特征故直流侧电压的稳定必会受到影响。文中的研究工作主要是针对光伏电池以上两个问题，设计了一种模糊 PID控制方法，模糊控制器在时变、非线性系统中有一定的优势，是非线性控制器，鲁棒性强 [4-5] 。能够抑制第 52 卷第 1 期 0050-00542016 年 1 月 16 日 High Voltage ApparatusVol.52 ， No.1 0050-0054Jan. 16， 2016DOI10.13296/j.1001-1609.hva.2016.01.009收稿日期 2015-06-11；修回日期 2015-07-13基金项目湖南省自然科学基金项目 2015JJ5009；湖南省教育厅开放基金项目 15k036；湖南省高校科技创新团队2014207；湖南省高校重点实验室 2014249。Project Supported by Hunan Natural Science Foundation of China2015JJ5009， Hunan Provincial Education Department OpenFund Project15k036， Hunan Scienceand TechnologyInnovation TeamProject of Colleges and Universities2014207， Key Laboratoryof Hunan Collegesand Universities2014249.了输入电压波动和负载电流扰动对直流侧电压的影响，具有很好的抗干扰性，模糊控制作为一种新型的 MPPT 控制方法在最大功率点追踪问题上也取得了不错的效果 [6]。鉴于此，设计了具有良好非线性性能的模糊 PID 控制器，来实现直流侧稳压统一和MPPT 的统一控制。最后通过仿真和实验验证了其有效性。1 Z 源逆变器的控制原理分析图 1 给出了 Z 源逆变器的等效电路。图 1 中 VD 为防止直流侧电流回流的二极管； L 1、 L2、 C1、 C2为 Z 源逆变器的电感和电容，为了便于分析考虑到阻抗网络的对称性，则有 L 1L2L， C1C2C； Upv 为逆变桥直流侧电压。为了便于分析直流侧稳压和 MPPT控制，将三相电网和网侧电感等效成电流源 [7-8] ，光伏电池模块等效为与内阻 R0 串联的电压源 US。文 [9] 中给出 Z 源阻抗网络的状态空间平均方程为X觶 tAtXtBtYt。 1式 1 中 A t0 2d0-1L 1- d0L1-2 d0C 0 02d0-2CPV0 1CPVR0“““““； B t0 00 - 1- d0C1CPVR0d1CPV““““； d0 为直通占空比。从式 1可看出系数矩阵 At、 Bt随直通占空比 d0 的变化而变化，因而说明了 Z 源光伏并网系统非线性的特性。当系统稳定时，即令 X觶 t0 可得 d0 UC- Upv2UC- Upv； 2UDC/UC2UC- UPV 11- d0。 3式 2、 3中 Upv 为光伏电池有效输出电压； UDC 为非直通状态下的直流链电压； UC 为 Z 源电容电压。由式 3可得， Z 源逆变器电容电压 UC 和直流链电压 UDC之间存在着非线性关系，通过调节 d0 来控制 Z 源电容电压 UC 恒定不能保证直流链电压 UDC 恒定 [10-11]。交流侧输出相电压峰值的表达式为u赞 ac MU pv21-2 d0 MBU pv2 。 4式 4中 B 为升压系数，且 BUDC/Upv； M 为正弦调制因子。由式 4可得控制电压 Upv 稳定就可以保证交流侧输出电压稳定。最大功率追踪是通过调节并网电流来实现。在模糊 PID 控制下，当外界环境发生变化影响到光伏电池输出的电量时，计算出新的直通占空比进而驱动 PWM 信号，通过动态调节并网电流来最终实现MPPT。 Z 源逆变器若想在考虑最大功率点追踪的同时保证直流侧电压稳定，则控制对象多且相互耦合，增加了控制器的设计难度。为此，文中采用文 [12]中所提出的解耦控制方法，对光伏电池输出电压和直流侧母线电压进行解耦控制，该方法可以控制电压稳定进而使交流侧输出电压稳定，能够追踪并网电流进而可以做到最大功率点跟踪，具有电网电流波形质量高、功率脉动小等优点。综上所述，得出控制控制原理图，见图 2。其控制部分有 3 个环节 MPPT 控制环、直流侧电压间接控制环和并网电流环。 MPPT 控制环用来检测光伏电池的输出电压 Upv 和输出电流 Ipv，通过MPPT 控制算法 [13] 得到光伏电池输出的指令电压U *pv。该指令电压减去光伏电池实际输出电压 Upv 便可得到控制误差。在直流侧电压 UDC 恒定的前提下，调节 d0 即可调整光伏发电系统的输出电压 Upv，使Upv 始终跟踪光伏发电系统最大功率点电压，实现MPPT 控制。并网电流环分为外电压控制环和内电流控制环 [14-15] ，外电压控制环的控制目标是使直流侧电压 UDC 跟踪电压指令 U *DC。紧接着将二者的系统偏差 e 和偏差变化 Δ e 作为模糊控制器的输入量，利用模糊控制器对系统实现非线性控制。最后通过空间矢量脉宽调制控制信号输出脉宽调制触发脉冲来调节直通占空比 d0，从而调节输出电压来实现图 2 Z 源逆变器控制原理图Fig. 2 The control diagram of Z source inverter图 1 Z 源逆变器等效电路Fig. 1 The equivalent circuit of Z source inverter研究与分析李圣清，白建祥，袁黎，等 . Z 源逆变器直流侧电压和 MPPT 的统一控制策略 51· ·2016年 1 月第 52 卷第 1 期MPPT跟踪，采取这种控制方式的能够利用 PID 调节器很好地对稳态误差进行消除，改进系统的稳态特性消除在 MPPT 周围的震荡问题。2 模糊 PID 控制器的设计模糊 PID 由模糊化、模糊规则和解模糊化 3 部分构成，其结构框图见图 3。引入模糊控制后，首先要确定模糊控制器的输入、输出变量。文中所设计的模糊控制器两个输入分别是电压误差 ek和误差变化率 Δ ek，输出为控制信号 uk。其中 ek和 Δ ek表达式为ek Ppvk- Ppvk-1Upvk- Upvk-1Δ ekek- ek-1 。 5式 5中， Ppvk和 Upvk分别表示太阳能光伏阵列的输出功率与输出电压。由此可知，当 ek0 时，有太阳能光伏阵列工作在最大功率点处。为了避免对每一个应用都必须做出调整，应将输入量误差 e和误差变化 Δ e 进行量化，以满足标准化论域要求。模糊控制器的设计主要是确定输入、输出变量的模糊子集和模糊化等级，文中将输入变量 ek、 Δ ek均分割成 7 个模糊子集，并用 “ 负大 NB、负中 NM、负小 NS、零 ZE、正小 PS、正中 PM、正大 PB” 语句描述。即ekΔ ek{NB， NM， NS， ZO， PS， PM， PB}。 6由系统控制的要求和光伏列阵的实际工作特点，可将输入量误差 ek和误差变化 Δ ek隶属函数采用三角形隶属函数，见图 4。将模糊化后的输入量用语言规则库中的控制规则进行模糊推理，最终决定输出的控制模糊量。模糊推理用 Mamdani 推理法，并应用 If A and Bthen C 模糊规则。最后进行解模糊过程，即根据输出模糊子集的隶属度计算出确定的输出变量，为一个将模糊量回归到精确量的过程。解模糊的方法有许多，文中采用实际应用中广泛使用的面积重心法。它是根据计算最终模糊推理结果的图形的重心而得到与该模糊集合中所有元素相关的一个输出变量的精确值。计算式为u*ni1Σ Ui μ ini 1Σ μ i 。 7要生成所需要的模糊控制规则在很大程度上依赖于设计者的经验，因此，其具有一定的局限性。文 [16]中应用了文 [17] 中提出的基于相平面响应轨迹特征的规则自调整模糊控制方法对模糊规则库进行调整。通过该方法分析闭环系统的动态性能，可以让设计者根据一致的结果来调整模糊规则库。其仿真和实验结果表明该方法的有效性，基于此文中得到模糊控制规则表 [18]，见表 1。模糊规则共 49 条，分别代表不同的推理。例如， e is PB 说明当前的工作点位于光伏电池曲线最大功率点左边，同时距离最大功率较远； Δ e is NB 说明前后两个工作点的位置变化较大，推理的结果是dD is ZO，此时控制结果为减小光伏电池的输出电压，故表达式为 If e is PB and Δ e is NB ， then dD is ZO。3 仿真与实验3.1 仿真为了验证该控制策略能够在保证直流链电压稳定的同时并寻优到最大功率点。采用如图 2 所示的控制电路，利用 MATLAB 建立 Z 源逆变系统仿真模型。系统功率为 1 kW ，逆变器最大正弦调制因子M 取 0.85。系统参数选取参见表 2。当电源电压跌落 20时，依次得到系统动态响应情况，见图 5。图 4 ek、 Δ ek的隶属函数Fig. 4 The membership function of ek、 Δ ek图 3 模糊 PID 结构框图Fig. 3 The structure diagram of fuzzy PID表 1 模糊控制规则表Table 1 The fuzzy control rule tableeΔ eNB NM NS ZO PS PM PBNB NB NB NM NM NS ZO ZONM NB NB NM NS NS ZO ZONS NB NM NS NS ZO PS PSZO NM NM NS ZO PS PM PBPM ZO ZO PS PS PM PB PBPB ZO ZO PS PM PM PB PB52· ·从图 5 可见，在电源电压跌落 20的情况下，由于采用了模糊 PID 的控制策略， A 相并网电流具有较好的跟踪情况，因而说明了该控制策略能够保证最大功率点跟踪。直流链电压能够在很短的时间内恢复正常，说明电压扰动对其影响较小，证明了该控制策略能够保证直流侧电压稳定。当负载突然增大时，同样依次得到系统动态响应情况的仿真波形图，见图 6。由图 6 可得在模糊 PID 的控制下，直流链电压和交流侧输出的交流电压基本保持不变，说明了该控制策略的有效性。3.2 实验为了验证该控制方法在实际工况下能保证直流链电压稳定及寻优到 MPP，文中在实验室 10 kW样机上做了电源电压跌落和负载突变的实验，采用了与仿真相同的参数设置，见表 1，设计并研制硬件电路，进行了实验。 Z 源逆变器输入的直流电压是进过整流装置得到的 510 V 直流电压，而电压跌落是经过调压器人为生成，最后得到系统实验波形见图 7。实验结果表示，在模糊 PID 的控制下， Z 源逆变器直流链电压能够保证电流的有效跟踪，从而说明图 5 Z 源网络输入电压丢落 20时的仿真波形Fig. 5 The simulation waveform of input voltage drop 20图 6 Z 源网络在负载突然增大时的仿真波形Fig. 6 The simulation waveform when the loadsuddenly increases图 7 实验波形图Fig. 7 The experimental waveforms表 2 仿真系统参数Table 2 The simulation system parameters参数 L/mH f/kHz Ts/sUmp/V Imp/A Uoc/V Isc/A Cin /μ F L1L2/mH C1C2/μ F数值 412 3.8 426 4.2 1 000 1 1 000 3 10 10-6光伏列阵标准条件 Z源网络研究与分析李圣清，白建祥，袁黎，等 . Z 源逆变器直流侧电压和 MPPT 的统一控制策略 53· ·2016年 1 月第 52 卷第 1 期了该控制策略能够保证最大功率点追踪，当电源电压跌落 20时，直流链电压没有出现较为明显的变化，说明了该控制策略能够保证 Z 源逆变器直流电压的稳定。在负载突变的试验波形中，负载突变对 Z源逆变器输出的电压和电流波形影响较小，可以忽略不计，说明模糊 PID 控制策略具有良好的控制效果。综上，该实验验证了所提出的模糊 PID 控制策略能够有效地保证直流链电压的稳定性和最大功率点追踪。4 结语对 Z 源逆变器用于光伏并网逆变系统中的强耦合和非线性问题进行了初步研究，选用模糊 PID 控制器作为直流侧稳压和 MPPT 的统一调节器，通过快速响应光伏列阵输出功率和输出电压的变化，有效地实现了抑制直流侧电压扰动和最大功率点跟踪。最后通过仿真实验验证了该控制方法的有效性。参考文献 [1] 彭方正，房绪鹏，顾斌，等． Z 源变换器 [J]．电工技术学报， 2004， 192 47-51．PENG Fangzheng， FANG Xupeng， GU Bin， et al. Z-sourceconverter[J].Transactionsof China Electrotechnical Society，2004， 192 47-51.[2] 程如岐，赵庚申，郭天勇． Z 源逆变器的状态反馈控制策略 [J]．电机与控制学报， 2009， 135 673-678．CHENG Ruqi ， ZHAO Gengshen， GUO Tianyong. Statefeedback control strategy of Z-source inverter[J]. ElectricMachines and Control， 2009， 135 673-678.[3] 冷志伟，齐琛，陈希有．单相准 Z 源逆变器及其 SVPWM控制策略研究 [J]．电力电子技术， 2010， 448 55-57．LENG Zhiwei， QI Chen， CHEN Xiyou. Research on singlephase quasi-Z-source inverter with SVPWM control strate-gy[J]. Power Electronics， 2010， 448 55-57.[4] KHAN A A ， RAPAL N. Fuzzy PID controllerDesign， turn-ing and comparison with conventional PID controller [C]//IEEE International Conferenceon Engineering of Intelli -gent Systems.Islamabad， PakistanIEEE， 2006 1-6．[5] 张蓬鹤，何俊佳，尹小根．采用模糊理论的接地网故障诊断方法 [J]．高压电器， 2011， 475 54-58．ZHANG Penghe， HE Junjia， YIN Xiaogen.Methodof ground-ing grid fault diagnosis based on fuzzy theory[J]. HighVoltage Apparatus， 2011， 475 54-58.[6] 乔兴宏，吴必军，邓赞高，等．模糊 /PID 双模控制在光伏发电 MPPT 中应用 [J]．电力自动化设备， 2008， 281092-95．QIAO Xinghong， WU Bijun ， DENG Zangao， et al. MPPT ofphotovoltaic generationsystem using fuzzy/PID control [J].Electric Power Automation Equipment， 2008， 2810 92-95.[7] 舒杰，傅诚，陈德明，等．高频并网光伏逆变器的主电路拓扑技术 [J]．电力电子技术， 2008， 427 79-82．SHU Jie， FU Cheng， CHEN Deming， et al. A review of maincircuit topology for high-frequency grid-connected PV in-verters[J]. Power Electronics， 2008， 427 79-82.[8] 徐聪，程启明，李明，等． Z 源逆变器及其多种改进拓扑结构的比较 [J]．电网技术， 2014， 3810 2926-2931．XU Cong， CHENG Qiming， LI Ming， et al. A comparativesimulation study on Z-source inverter and its various im-provement topologies[J]. Power System Technology， 2014，3810 2926-2931.[9] 贾利锋，李迎迎，高金辉． Z-源逆变器 MPPT和逆变控制方法研究 [J]．河南师范大学学报自然科学版， 2012， 405 72-77．JIA Lifeng， LI Yingying， GAO Jinhui. Study on the controlstrategy of MPPT and grid-connected inverter for PVsystem based on Z-source inverter [J]. Journal of HenanNormal UniversityNatural Science Edition ， 2012， 405 72-77.[10] 杨水涛，丁新平，张帆，等． Z-源逆变器在光伏发电系统中的应用 [J]．中国电机工程学报， 2008， 2817 112-118．YANG Shuitao， DING Xinping ， ZHANG Fan， et al. Studyon Z-source inverter for photovoltaic generation system[J].Proceedingsof the CSEE， 2008， 2817 112-118.[11] 高平东，张法全，李勇． Z 源光伏并网逆变器控制策略研究 [J]．电子技术应用， 2014， 402 53-55．GAO Pingdong， ZHANG Faquan， LI Yong. Control strategyfor Z-source photovoltaic grid-connected inverter[J]. Appli -cation of Electronic Technique， 2014， 402 53-55.[12] 姚志垒，肖岚，陈良亮．三相 SVPWM 并网逆变器的改进解耦控制方法 [J]．电力系统自动化， 2012， 3620 99-103．YAO Zhilei ， XIAO Lan， CHEN Liangliang. An improveddecoupling control method for three-phase grid-connectedinverter with SVPWM [J]. Automation of Electric PowerSystems， 2012， 3620 99-103.[13] 李圣清，张彬，徐天俊，等．单级式光伏并网系统 MPPT的人工鱼群控制策略 [J]．电力电子技术， 2014， 483 4-6．LI Shengqing， ZHANG Bin， XU Tianjun， et al. AFSA controlmethod of MPPT in the single-stage PV grid-connectedgenerationsystem[J].Power Electronics， 2014， 483 4-6.[14] 张彬，李圣清，徐天俊，等．一种新型的太阳能逆变器并网控制方案 [J]．湖南工业大学学报， 2014， 283 52-55．ZHANG Bin， LI Shengqing， XU Tianjun， et al. A new grid-connected control scheme of solar inverter[J]. Journal ofHunan University of Technology， 2014， 283 52-55.[15] 崔彬，钱照明，丁新平，等． Z 源逆变器的电压电流双闭环控制 [J]．电力电子技术， 2007， 419 1-3．CUI Bin， QIAN Zhaoming， DING Xinping ， et al. A voltage-current closeloop control a lgorithm for Z-source inverter[J].下转第 61 页 54· ·PowerElectronics， 2007， 419 1-3.[16] 丁新平，钱照明，崔彬，等．基于模糊 PID 的 Z 源逆变器直流链升压电路控制 [J]．中国电机工程学报， 2008， 2824 31-38．DING Xinping， QIAN Zhaoming， CUI Bin， et al. Fuzzy PIDcontroller for DC-link boost voltage in Z-source inverter[J].Proceedingsof the CSEE， 2008， 2824 31-38.[17] 张吉礼，欧进萍，于达仁．基于相平面轨迹特征的规则自调整模糊控制方法 [J]．控制理论与应用， 2003， 204 607-611．ZHANG Jili， OU Jinping， YU Daren. Method of rule self-turning fuzzy control based on trajectory performance ofphase plane[J]. Control Theory and Applications， 2003， 204 607-611.[18] 徐晓淳，刘春生，李锋．光伏系统 MPPT的改进模糊控制 [J]．电力系统及其自动化学报， 2014， 269 81-84．XU Xiaochun， LIU Chunsheng， LI Feng. Improved fuzzycontrol on MPPT method of solar system[J]. Proceedingsofthe CSU-EPSA， 2014， 269 81-84.李圣清 1961 ，男，博士，教授，研究方向为电力系统谱波分析与治理、电能质量调节与控制。白建祥 1988 ，男，硕士研究生，研究方向为光伏并网中的电能质量调节与控制。袁黎 1992 ，女，硕士研究生，研究方向为电力系统中无功补偿的研究。唐琪 1990 ，男，硕士研究生，研究方向为级联STACOM 控制方法的研究。Electronics Engineers， 2005 1503-1507．[10] 廖其艳，郭家虎，赵埕萱．新型模块化多电平变换器的PWM控制 [J]．电气传动， 2011， 419 34-37．LIAO Qiyan， GUO Jiahu， ZHAO Chengxuan. New modularmultilevel converters and PWM control[J]. Electric Drive，2011， 419 34-37.[11] 丁冠军，汤广福，丁明，等．新型多电平电压源换流器模块的拓扑机制与调制策略 [J]．中国电机工程学报，2009， 2936 1-8．DING Guanjun， TANG Guangfu， DING Ming， et al. Topologymechanism and modulation scheme of a new multilevelvoltage source converter modular[J]. Proceedings of theCSEE， 2009， 2936 1-8.[12] 赵昕，赵成勇，李广凯，等．采用载波移相技术的模块化多电平换流器电容电压平衡控制 [J]．中国电机工程学报， 2011， 3121 48-55．ZHAO Xin ， ZHAO Chengyong， LI Guangkai， et al. Sub-module capacitance voltage balancing of modular multi-level converter basedon carrier phase shifted SPWM tech-nique[J]. Proceedingsof the CSEE， 2011 ， 3121 48-55.[13] 滕松，宋新立，李广凯，等．模块化多电平换流器型高压直流输电综述 [J]．电网与清洁能源， 2012， 288 43-50．TENG Song， SONG Xinli ， LI Guangkai， et al. A survey onHVDC transmission with modular multilevel converters[J].Advances of Power System Hydroelectric Engineering，2012， 288 43-50.[14] 赵岩，胡学浩，汤广福，等．模块化多电平变流器HVDC 输电系统控制策略 [J]．中国电机工程学报， 2011，3125 35-42．ZHAO Yan， HU Xuehao， TANG Guangfu， et al. Control strate-gy of modular multilevel convertersbasedHVDC transmis-sion[J]. Proceedingsof the CSEE， 2011， 3125 35-42.[15] 江道灼，郭捷，周月宾，等． 49 电平模块化多电平换流器样机设计与实验验证 [J]．中国电机工程学报， 2013， 3327 88-95．JIANG Daozhuo， GUO Jie， ZHOU Yuebin， et al. Designand experiment of modular multilevel converter prototypewith 49-level output voltages[J].Proceedingsof the CSEE，2013， 3327 88-95.[16] 王姗姗，周孝信，汤广福，等．模块化多电平换流器 HVDC直流双极短路子模块过电流分析 [J]．中国电机工程学报， 2011， 311 1-7．WANG Shanshan， ZHOU Xiaoxin， TANG Guangfu， et al.Analysis of submodule overcurrent caused by DC pole-to-pole fault in modular multilevel converter HVDC system[J].Proceedingsof the CSEE， 2011， 311 1-7.[17] 管敏渊，徐政．模块化多电平换流器子模块故障特性和冗余保护 [J]．电力系统自动化， 2011， 3516 94-98．GUAN Minyuan ， XU Zheng. Redundancy protection forsub-module faults in modular multilevel converter[J]. Au-tomation of Electric Power Systems， 2011， 3516 94-98.[18] 王姗姗，周孝信，汤广福，等．模块化多电平 HVDC 输电系统子模块电容值的选取和计算 [J]．电网技术， 2011， 351 26-32．WANG Shanshan， ZHOU Xiaoxin， TANG Guangfu， et al.Selection and ca