基于模糊PID负载强扰下海浪发电逆变器的控制研究

樊 茂，刘惠康

（武汉科技大学 信息科学与工程学院，武汉 430081）

随着传统能源日趋枯竭，环境污染问题不断恶化，新能源的开发迫在眉睫，利用清洁可再生能源日益受到各界广泛关注。而波浪能已成为继太阳能、风能之后的又一倍受青睐的新型可再生能源。相比风能与太阳能技术，海浪发电技术[1]要落后几十年，我国拥有广阔的海岸线，海洋资源蕴藏丰富，最近几年中海浪发电被广泛研究，特别是应用于海岛上，解决了孤岛上供电供水的问题。由于海浪发电系统大部分都用于孤岛，负载都为民用电，所以因家用电器损坏而引起的输出电压某一相对地短路的情况时常发生，由于系统采用功率跟踪控制[2]，这样会影响到直流母线电压的恒定，从而对输出电压质量造成影响。在传统的海浪发电控制系统中遇到这种负载强扰情况时，系统无法快速响应来保证母线电压稳定，从而保证三相输出电压的平滑对称。

本文结合海浪发电控制系统的特点，提出了基于模糊PID的控制策略。在负载发生强扰时，能够及时地对PID参数进行整定，提高了系统的响应时间和稳态精度，保证了输出电压的稳定。本文通过对传统PID控制和模糊PID控制系统的仿真波形比较，确定模糊PID控制能有效抑制母线电压突变，提高电压质量，应用在海浪发电系统上是可行、有效的。

1 海浪发电系统

海浪发电技术随着近几年的不断研究，已在多个领域得到应用。随着海浪发电技术的不断发展，为海岛上民用电提供电源，为海水淡化系统提供电能已成为可能。海浪发电装置有很多种，本文介绍的海浪发电系统是由波浪共振器[3-4]、液压传动、电机、逆变器、电网所组成。波浪共振器能发出各种频率的波，这些不同频率的波形作用于不同的物体就会相应地产生出一种共振波[5]，当这类波到达相应的程度时就能够带动液压杠杆上下摆动，从而使永磁无刷电机工作，发出三相交流电，这些电经过双PWM整流，逆变之后变成了三相平衡的电压，流向电网给负载供电。系统中所采用的电机为永磁无刷电机，它结构简单、利于操作，运行起来可靠性强、抗干扰能力好、而且体积小、质量轻。

1.1 海浪发电系统控制

在海浪发电系统中，控制部分采用的是功率跟踪技术，即单位功率因数cosφ＝1和恒母线电压。在实际应用中，Vd为700 V左右。当负载平衡时，Vd保持不变，输出电压为三相对称电压，且输入功率Pd等于输出功率P0。当用电器件出现损坏时，会使输出电压的某一相突然对地短路，造成一个较大的电流强扰，导致Vd上下波动，影响海浪发电系统输出电压的质量。传统的控制系统是直接通过PI调节器来调节母线电压Vd。其PI参数是根据负载平衡的条件计算出来的，不能在线修改，这样的控制方式响应速度慢、电压精度低，在负载发生电流强扰时不能及时地对KP，KI，KD进行修正，在外界发生干扰的情况下不能达到理想的效果。

1.2 海浪发电系统控制优化

本文采用模糊PID控制策略，对原有的控制系统进行优化，加入模糊PID控制器模块，在有大电流强扰的情况下，模糊PID控制模块能够及时地对PI参数进行整定，使系统调整到当前最佳运行状态，抑制了强扰电流对输出电压的扰动，使母线电压能够快速回到原来的恒定值，保证了输出电压平滑稳定。其系统控制框图如图1所示。

图1 模糊PID控制系统框图Fig.1 Fuzzy PID control system block diagram

图1中电机M在海浪共振器和液压杠杆的共同作用下开始运行，海浪发电系统工作，在直流母线上取出给定电压及电流，在电机M自带测速电机中可得电机转速，从而得出给定转矩；在逆变器一侧取出反馈的电压和电流，得到反馈转矩，整个系统将经过计算的转矩偏差e和偏差的变化率ec送进模糊PID控制器，输出值送进PID调节器进行在线参数整定，由于PWM只需要PI调节器来调节，所以此时可以看成KD=0，将PI调节器的输出经过dq-abc模块变换，将2个旋转的坐标id，iq转化为3个静止的坐标ia，ib，ic输入给PWM模块，从而达到对海浪发电系统进行调节。

2 模糊PID控制器设计

本设计中模糊控制器采用双输入、双输出的二维模糊控制结构，取转矩偏差ΔT和转矩偏差变化率dT/dt作为2个输入变量，经过模糊化后将2个输入量以适当比例转换成论域中的数值E和EC，再经过模糊推理得出模糊控制信号T1，T2，最后经过解模糊将推论中所得的模糊值转换成明确的控制信号KP，KI，KD在对PI调节器中的参数进行整定之后经过dq-abc变换得到3个静止的坐标ΔI，如图2所示。

图2 转矩模糊控制器系统框图Fig.2 Torque fuzzy controller system block diagram

本方案中模糊PID控制将转矩偏差e，转矩偏差变化率ec及输出变量u转换成模糊集合的隶属函数，为保证控制精度的同时简化计算，选用三角形函数代替正态分布函数。设e，ec及u的模糊子集均为｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝，对应为｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，对应 e=｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，ec=｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，u=｛-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7｝分别为其论域。 对应的隶属函数如图3和图4所示。针对海浪发电控制系统的特点，其模糊控制规则如表1和表2所示。

图3 e，ec隶属度函数Fig.3 Membership functions of e，ec

图4 u隶属度函数Fig.4 Membership functions of u

表1 ΔKp的模糊规则表Tab.1 Fuzzy logic control rules of ΔKP

表2 ΔKi的模糊规则表Tab.2 Fuzzy logic control rules of ΔKI

3 系统仿真

在实际应用中是负载原因引起的输出电压某一相对地短路，而造成负载电流过大，由于负载都是民用电，额定电流一般在5 A～20 A左右，所以在仿真过程中在负载电流上加一个大电流信号模块来模拟现场对系统的干扰，大电流设定为15 A，转矩给定值为斜坡输入，模糊控制和传统PID控制的Simulink仿真结果如图5所示。可见在0.5 s突加一个15 A的电流时，模糊控制比传统PID控制调节时间短，且无超调，无余差，有明显优势，系统的精度达到预期的要求。传统PID控制时Vd的偏差率为20%，而在模糊PID控制下Vd的偏差率为5%，很好地抑制了母线电压波动，达到了预期的效果。

图5 系统仿真结果Fig.5 System simulation results

4 结语

在人工调节基础上对海浪发电系统进行电气自动化改造，应用模糊PID控制实现了恒母线电压控制系统的优化，并通过实验仿真验证了该方法。实践结果表明，基于模糊PID控制的恒母线电压控制系统成功地在实验室海浪发电项目优化工程中得到实现，取得了良好的控制效果。具有较好的跟随性能，无稳态误差，超调量较小，Vd偏差率控制在5%左右，很好地满足了在实际应用中的要求。

[1]Leijon M，Bernhoff H，Agren O.Multiphysics simulation of wave energy to electric energy conversion by permanent magnet linear generator[J].IEEE Trans.on Energy Conversion，2005，20（1）：219-224.

[2]杨海柱，金新民.基于DSP控制的光伏并网逆变器最大功率的跟踪问题[J].太阳能学报，2005，26（6）：760-765.

[3]蔡元奇.共振波力发电装置[P].中国专利，CN201110233308，2011.

[4]程波.海浪发电实验装置设计与研究[D].山东：山东大学，2012.

[5]文圣常.海浪理论与计算原理[M].北京：科学出版社，1984.