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1、离网型可再生能源发电系统逆变器的研究随着国家能源政策的调整，可再生能源发电成为研究的热点，离网型可再生能源发电对边远地区供电具有投资少、运行费用低等优点。本文对离网型可再生能源发电系统中的核心设备逆变器进行了深入的研究，利用正弦波脉宽调制（SPWM）技术，采用模糊 PID 控制策略，开发出了一种新型的高频逆变器。【关键词】可再生能源发电 逆变器 正弦波脉宽调制（SPWM） 模糊 PID 控制偏远地区，电力供应困难，为了解决居民用电问题，2002 年我国实施了“送电到乡”工程，并且取得了一定成效，在此成功的基础上启动了“送电到村（户）工程”。由于偏远地区供电半径大，用户负荷小，利用电网延伸的方法
2、供电成本大，为节省投资及运行费用，一些地区的供电方案采用可再生能源发电离网运行，如风力发电、光伏发电及风光互补联合发电。离网运行的可再生能源发电系统的工作原理是将发电单元发出的不稳定的交流电（小型风力发电）整流变为直流电，或将低电压的直流电（光伏发电）向蓄电池储能，再由逆变器将蓄电池中储存的直流电逆变为交流电供负荷使用，所以供电的可靠性及电能质量主要取决于逆变器的性能，逆变器是整个系统的核心部件。可再生能源发电使用的第一代工频逆变器体积大、笨重并且价格高，无论在满负荷还是在轻负荷下运行损耗比较大，效率也比较低。目前，国内外技术人员对高频逆变器技术的研究方兴未艾，笔者利用正弦波脉宽调制（SPWM
3、）技术，采用模糊 PID 控制策略，开发出了一种新型的高频逆变器。1 正弦波脉宽调制技术（SPWM）常用逆变器基本形式按控制技术分类，可分为调频式（PFM）逆变器和调脉宽式（PWM）逆变器。脉宽调制技术（Pulse Width ModulationPWM）是指利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，实现变压、变频控制并且消除谐波的技术，简称 PWM 技术。采用 PWM 方式构成的逆变器，其输入为固定不变的直流电压，可以通过 PWM 技术在同一逆变器中既实现调压又实现调频。调制信号为正弦波的脉宽调制叫做正弦波脉宽调制（SPWM），产生的脉宽调制波是幅值相等但宽度不
4、等的脉冲序列，正弦脉宽调制波的 THD 小，低次谐波含量小，输出滤波器体积和重量亦明显减小，根据输出滤波器的前端电压 SPWM 波的极性，正弦脉宽调制可分为单极性和双极性调制两种。双极性正弦脉宽调制中调制参考波是幅值为的正弦波，高频载波为双极性三角波，无论在的正半周还是负半周，当瞬时值时，输出正值电压；当瞬时值时，输出负值电压。这样，输出电压由多个不同宽度的双极性脉冲电压组成。如图 1-1 所示。图 1-1 双极性正弦脉宽调制波形在 SPWM 方法中，参考波频率决定了输出频率，载波频率决定了每半周期的脉冲数。通过改变参考正弦波幅值改变调制度，可以改变输出电压的有效值。设载波比为，则每半个周波中
5、正脉冲和负脉冲共有 N 个，固定三角载波频率，改变，即可改变输出交流电压的频率。SPWM 控制就是确定逆变器功率开关器件的开关时刻，以实现其输出波形中要求的基波含量为最大，尽量抑制其它高次谐波含量。该控制方式可以用模拟电路、数字电路或专用的大规模集成电路芯片等硬件实现，也可以用微处理器通过软件生成 SPWM 波形，本文采用 MCS51 单片机和 MITEL 公司的 SA4828 芯片。2 逆变器的数学模型单相全桥逆变器如图 2-1 所示，E 为输入直流电压，T1T4 为开关管，L 为滤波电感，r 为电感等效内阻，C 为滤波电容，R 为负载。 将电感用 Ls 表示，电容用 1/Cs 表示，可推导
6、出输出电压 Uo(s)与 AB 两点间电压 Ui(s)之间的传递函数 G(s)如式 1-1 所示。（1-1）本方案采用双极性正弦波脉宽调制技术（SPWM），将式 1-1 转换为频域表达式，可得逆变器的输出传递函数 （1-2）此即逆变器的传递函数，可得逆变器的等效框图如图 2-2 所示。3 逆变器的控制策略典型的逆变器模拟控制策略包括电压瞬时值单闭环反馈控制、电压电流瞬时值双闭环 SPWM 反馈控制、电压电流瞬时值双闭环滞环控制等等，控制技术比较成熟，应用广泛。随着数字信号处理技术的蓬勃发展，逆变器的数字控制逐渐成为研究热点。目前，在数字控制逆变器中应用较多的控制策略有：PID 控制、无差拍控制
7、、滑模变结构控制、状态反馈控制、重复控制、人工神经网络控制、模糊控制等。PID 控制的缺点是一旦控制参数选定，K P、K I、K D不具备在线调整的功能，只能固定地适应一种工况，影响了系统的控制性能，不能完全满足负荷变化的需求。模糊控制策略不需要建立精确的数学模型，适应于不确定系统的控制，但单纯的模糊控制精度不高。因而，本设计综合 PID 控制和模糊控制的优点，采用模糊 PID 控制策略，自动调节 PID 参数，使系统具有良好的运行性能。3.1 PID 控制器PID 控制器写成传递函数的形式为 （3-1）本系统采用电压环反馈，为提高动态性能，采用瞬时值控制。电压环控制中，采用增量式 PID 控
8、制，确保输出具有较好的稳定性。根据逆变器的等效框图 2-2，忽略电压环的等效内阻，电压环等效框图如图 3-1 所示。图中 Kpwm 为 PWM 环节的等效增益，K 为反馈回路中电压的采样系数。控制系统控制框图进一步可简化为图 3-2根据式 1-2，则采用 PID 控制策略系统的开环传递函数为（3-2）3.2 模糊 PID 控制器将模糊控制理论应用于逆变器的控制系统，可以综合模糊控制和 PID 控制的优点，把二者结合起来，利用模糊控制算法，将 PID控制参数的实时调整策略制定为模糊规则，实现 PID 参数的实时调整，构成模糊自整定 PID 控制器。模糊 PID 控制器的输入变量为逆变器输出偏差
9、E 和偏差变化率 EC，输出变量为 PID 控制器的三个参数 KP、K I、K D或 PID 三个参数的增量 K P、K I、K D。模糊控制器首先对输入量进行模糊化计算，然后根据模糊规则进行模糊推理和模糊判决，最后通过反模糊化得到三个输出参数 KP、K I、K D（或 K P、K I、K D）。其结构如图 3-3。 笔者通过离网型逆变器的工况确定了隶属度函数、建立了模糊控制规则，并利用 MATLAB 通过多次仿真模拟制定出 KP、KI、KD的模糊控制规则表。系统在额定负荷和空载负荷时的响应曲线见图 3-4、图 3-5.图 3-4 额定负荷时正弦响应曲线图 3-5 空载时正弦响应曲线4 控制电
10、路设计本文控制系统采用 MCS51 单片机和 MITEL 公司的 SA4828 芯片，SA4828 是英国 MITEL 公司研制出的一种专门用于三相 SPWM 信号发生和控制的集成电路芯片，采用这种高精度的智能芯片，可以大大地减轻 CPU 的负担，仅当需要改变频率和电压时，单片机才去干预 SA4828，使控制系统可以空出更多的时间用于检测和监控。系统框图如图 4-1。5 实验结果及其分析将发电单元、逆变器、负载连接成实际电路，通过调节负载的大小及功率因数，在示波器上观察的波形如图 5-1、图 5-2.图 5-1 逆变器带纯阻性负载的波形图 5-5 逆变器带纯感性负载时的波形6 结论本文对离网型可再生能源发电系统中的核心设备逆变器进行了研究，采用模糊 PID 控制策略，根据经验和反复调试，确定了控制系统离线查询表，通过实验证明，逆变器具有良好的带负载能力和电压质量，系统损耗小，对负荷的变动及功率因数的变化有快速的调节和适应能力。
