OJCS  >> Vol. 8 No. 3 (September 2019)

    基于模糊控制三电平Boost直流变换器输出电容均压方法
    Output Capacitor Voltage Balance Control Method of Three-Level Boost DC-DC Converter Using Fuzzy Controller

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作者:  

黄 鹭:扬州海通电子科技有限公司,江苏 扬州;
方 宇,曹松银:扬州大学信息工程学院,江苏 扬州

关键词:
三电平Boost直流变换器中点电位平衡模糊控制 Three-Level Boost Converter Neutral-Point Potential Balance Fuzzy Control

摘要:

本文针对应用于三相非隔离光伏并网发电逆变器中三电平Boost直流变换器启动建压过程时,可能出现的中点(Neural-Point, NP)电位不平衡问题和后级逆变电路调制策略对中点电位的影响,在三电平Boost直流变换器功率级提出了一种实现中点电位平衡的模糊控制策略。采用模糊控制器可自适应地改变三电平Boost直流变换器开关管的占空比大小,不仅在启动过程中(直流母线建压时),而且在并网逆变器稳定工作时,都能实现直流侧输出电容的均压,并获得良好的动态和静态性能。论文中为三电平Boost直流变换器设计了模糊控制器,给出了控制规则。最后通过仿真和实验验证了该方法的可行性和可靠性。

Aiming at the neutral-point (NP) imbalance and the influence of the modulation strategy of the post-stage inverters on the neutral-point potential when the three-level Boost DC converter is used in the three-phase non-isolated grid-connected PV power generation inverters to start the voltage-building process, a fuzzy control strategy is proposed to realize the neutral-point potential balance at the power level of the three-level Boost DC converter. The duty cycle ratio of the switch of three-level Boost DC converter can be adaptively changed by using the fuzzy controller. Not only in the start-up process (when the DC bus is voltage-building), but also in the stable operation of grid-connected inverters, the voltages across output capacitors can be equalized and good dynamic and static performance is obtained. In this paper, a fuzzy controller is designed for three-level Boost DC converter, and the control rules are given. Finally, the feasibility and reliability of the method are verified by simulation and experiment.

1. 引言

在两级式三相非隔离光伏并网逆变系统中,通常采用三电平Boost直流变换器作为前级升压电路,并实现PV电池的最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)。在三电平Boost直流变换器中,直流输出侧两电容电压需保持平衡,即实现中点电位平衡,以提高系统的可靠性和入网电流质量。

文献 [1] [2] [3] [4] 通过改进逆变器调制策略和相应的控制方法以实现中点电位平衡。但在三电平Boost直流变换器启动过程中直流母线建压时,后级逆变电路还没有工作,故无法通过文献 [1] [2] [3] [4] 中的方法解决启动过程中出现的中点电位不平衡问题。文献 [5] [6] 通过检测三电平Boost直流变换器输出两电容的电压偏差值和变化,并采用PI调节器来调节三电平Boost直流变换器中两个主开关管的占空比的大小,从而实现了中点电位平衡,但是由于实际电路中存在大量的寄生参数,以及电容参数不对称和功率突变等因素,从而导致PI调节器的参数难以整定,且一组调整好的PI参数难以适应功率突变情况。

为此,本文针对三相非隔离光伏并网逆变器的前级三电平Boost电路,研究了一种实现其输出电容中点电位平衡的模糊控制算法,这种方法是根据三电平Boost电路的直流输出侧两电容均压程度来智能调节占空比大小,以实现两电容的均压控制,从而确保三相并网逆变器在启动和稳态运行时直流母线电容电压的平衡,系统具有良好的静、动态性能。该模糊控制方法无需额外的硬件开销,只需软件编程实现。

2. 中点电位不平衡原因分析

三电平Boost直流变换器在三相非隔离型光伏并网逆变系统中的应用如图1所示。为了减小系统中共模漏电流的大小,通常对前级Boost直流变换器中的两只开关管采用同步调制策略,对后级逆变器则采用改进型的空间矢量调制策略 [7] [8] 。

Figure 1. Three-phase non-isolated photovoltaic grid-connected inverter system

图1. 三相非隔离光伏并网逆变系统

图1所示,开关管Q1,Q2采用同步调制方式,即同时导通和关断。但是,由于开关管本身参数、驱动延时等因素不一致的影响,开关管Q1,Q2的导通时间并不完全相等。一个开关周期后,Boost直流变换器输出侧两电容Cdc1,Cdc2会产生电压差,引起中点电位不平衡。另外,由于后级逆变电路采用改进型的空间矢量调制策略,在减小共模漏电流的同时,并不能兼顾中点电位的平衡。

中点电位的偏移会使Boost直流变换器和逆变器中的开关管都承受不均衡的电压,因而会降低器件的寿命,同时中点电位的波动会使逆变输出的波形出现低次谐波,从而降低了电能的质量,严重时将影响系统并网发电的正常运行

3. 模糊控制器的原理及设计

3.1. 模糊控制器的原理

本文研究的模糊控制方法,其系统结构框图如2所示。三电平Boost直流变换器中,若开关管Q1的占空比d1大于开关管Q2的占空比d2,则Vdc1 < Vdc2;若Q1的占空比d1小于Q2的占空比d2,则Vdc1 > Vdc2

Figure 2. The system schematic diagram based on fuzzy controller

图2. 基于模糊控制器的系统构成框图

因此,可对这两个开关管的占空比d1和d2进行调节,以实现三电平Boost直流变换器直流输出电容电压的平衡。

d1与d2的形成如图2所示,模糊控制器输出dS,MPPT控制器输出dM。将dM和dS分别相加减得到调制波信号vreg1和vreg2,vreg1和vreg2分别与载波信号vcarry1和vcarry2进行比较(vcarry1和vcarry2具有相同的周期和相位),得到PWM脉冲控制信号vg1和vg2,再经驱动电路控制开关管Q1和Q2的导通与关断。基于这种模糊控制器的控制系统能在跟踪光伏组件最大功率点的同时,实现直流输出两电容的均压控制。

图2中模糊控制器的具体逻辑结构如图3所示。e,∆e分别是电容电压误差及误差变化量,量化后得到e',∆e',再经模糊化得E,∆E,则E,∆E分别是e',∆e'的模糊子集,Ds是经模糊推理后的输出模糊量,经解模糊化后得 d S ,最后经比例因子得精确控制量dS

Figure 3. The logic structure of fuzzy controller

图3. 模糊控制器逻辑结构

3.2. 精确量的确定及量化

1) e区间的确定和量化

假设在中点电位平衡时,偏差e的最大值为5 V,从而选取精确值e的区间为[−5, +5],量化值e'的区间为[−6, +6],则偏差e的量化表如表1,量化因子Ke = 6/5 = 1.12。

Table 1. The quantization table of e

表1. e的量化表

2) ∆e区间的确定和量化

取(∆e)max = 1V,从而选取精确值∆e的区间为[−1,+1],量化值 Δ e 的区间为[−4, +4],则偏差∆e的量化表如表2,量化因子Kec = 4/1 = 4。

Table 2. The quantization table of ∆e

表2. ∆e的量化表

3) dS区间的确定和量化

取精确值dS的区间为[−0.3, +0.3],量化值 d S 的区间为[−6, +6],则输出量dS的量化表如表3,比例因子Ku = 0.3/6 = 0.05。

Table 3. The quantization table of dS

表3. dS的量化表

3.3. 偏差、偏差变化率和输出量的模糊化

1) 偏差e的模糊化

区间[−6,+6]分为7档,分别对应7个模糊子集:{PB, PM, PS, Z, NS, NM, NB},且各模糊子集的隶属度函数为常用的三角形和梯形,则e的隶属度函数如图4所示。

Figure 4. The membership function of e

图4. e的隶属度函数

2) 偏差变化率∆e的模糊化

区间[-4, +4]分为5档,分别对应5个模糊子集:{PB, PS, Z, NS, NB},且各模糊子集的隶属度函数为常用的三角形和梯形,则偏差∆e的隶属度函数如图5所示。

Figure 5. The membership function of ∆e

图5. 偏差∆e的隶属度函数

3) 输出量dS的模糊化

由于输出量dS和偏差e为比例控制,选取输出量dS的隶属度函数和模糊化表与偏差e的隶属度函数相同,如图4所示。

3.4. 模糊控制规则的确定

采取“if e and Δe then ds”的模糊控制规则,模糊控制规则如表4所示。

Table 4. The fuzzy control rules table

表4. 模糊控制规则

4. 仿真和实验结果

本文通过PSIM和MATLAB/Simulink建立了联合仿真模型,如图6所示,图6(a)是Matlab/Simulink模型,用以实现模糊控制策略的仿真,图6(b)采用Psim搭建了三电平Boost功率电路,用以实现应用于光伏发电前级电路升压的仿真。并制作了由两个8.5 KW的三电平Boost功率电路实验样机,并应用在17kW两级式非隔离三相并网发电装置中,作为前级MPPT控制器如图7所示:PV输入最大功率跟踪电压范围是430~600 V,Boost直流变换器输出电压650 V,开关频率fs为40 kHz,直流输入薄膜电容C1 = C2 = 100 μF,直流输出薄膜电容Cdc1 = Cdc2 = 400 μF,L1 = L2 = 0.9 mH,开关管选用Vincotech公司的FZ06NBA045FH (45 A/600 V),后级逆变器采用改进型空间矢量调制策略以抑制共模漏电流,数字控制芯片选用TI公司的DSP,型号为TMS320F28335。

(a) MATLAB/Simulink仿真模型(b) PSIM中Boost电路仿真模型

Figure 6. Simulation model of fuzzy control

图6. 模糊控制仿真模型

Figure 7. 17 kW two-stage non-isolated three-phase grid-connected prototype based on three-level Boost converter

图7. 基于三电平Boost变换器的17 kW两级式非隔离三相并网发电装置样机

图8图9分别对应初始电压相同和不同时的仿真结果,Vdc1和Vdc2分别为三电平Boost直流输出端电容Cd1和Cd2上的电压,可见无论输出两电容上初始电压相同还是不同,通过文中提出的糊糊控制方法均能实现均压。仿真在0.07秒时分别突加负载(由850 W到8.5 kW)和突减负载(由8.5 kW到850 W),电容上电压Vdc1和Vdc2的仿真波形如图10图11,可见采用文中的模糊均压控制方法实现了三电平Boost电路输出两电容的动态均压。图12图13分别为未加入和加入模糊控制器时的缓启动实验波形,图14是加入模糊控制器时的稳态运行实验波形,图12图13图14中的通道1和通道2分别对应三电平Boost电路输出侧上、下电容的电压波形,通道4是三电平Boost电路的后级并网逆变器的并网电流ia波形。

Figure 8. Simulation waveforms with the same initial voltages across capacitors

图8. 初始电压相同时仿真图

Figure 9. Simulation waveforms with different initial voltages across capacitors

图9. 初始电压不同时的仿真图

Figure 10. Simulation waveforms when sudden increasing load

图10. 负载突加时的仿真图

Figure 11. Simulation waveforms when sudden decreasing load

图11. 负载突减时的仿真图

Figure 12. Experimental waveforms of soft startwithout fuzzy controller

图12. 未加入模糊控制器的缓启动实验波形

Figure13. Experimental waveforms of soft startwith fuzzy controller

图13. 加入模糊控制器的缓启动实验波形

Figure 14. Experimental waveforms in steady state with fuzzy controller

图14. 加入模糊控制器稳态时的实验波形

仿真和实验结果表明:采用本文设计的模糊控制器,无论是在动态运行,还是在静态运行状态下,都能实现三电平Boost直流变换器直流输出两电容电压的平衡,从而确保了网侧的电能质量和变换器的可靠运行。

5. 结论

本文提出的三电平Boost直流变换器输出电容均压模糊控制方法,应用在三相三电平非隔离并网发电系统中,解决了启动过程中直流母线建压时输出中点电位不易平衡的问题,同时还可抑制来自后级逆变器对中点电位的影响。仿真和实验结果表明该模糊控制器能根据直流输出侧两电容的均压程度,自动调节两开关管占空比的大小,最终实现输出电容电压的平衡。基于三电平Boost直流变换器输出电容均压模糊控制方法构成的三相并网发电装置将应用在光储充电站中,以实现电动汽车应用的节能减排,可促进智能电网的建设。

基金项目

国家自然科学基金(61873346);国家电网扬州供电公司互联网研究院基金(SGTYHT/17-JS-202);扬州大学江都高端装备工程技术研究院开放课题基金(YDJD201902)。

文章引用:
黄鹭, 方宇, 曹松银. 基于模糊控制三电平Boost直流变换器输出电容均压方法[J]. 电路与系统, 2019, 8(3): 56-66. https://doi.org/10.12677/OJCS.2019.8383008

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