逆变器单神经元自调节PID电流控制策略研究

逆变器单神经元自调节 PID电流控制策略研究

衡龙雨

郑州地铁集团有限公司 河南 郑州 450046

摘要：近年来，随着传统能源的枯竭，我国开始大力发展绿色友好型的可再生能源，其中新能源光伏发电技术在我国能源发展上的重要性日益凸显。并网逆变器作为电网与光伏发电系统之间的核心接口设备，对入网电流质量具有重大影响。在实际工程中，出于保护设备的功率开关管的目的，大多场合采用逆变侧电流反馈控制，但该控制结构在数字控制下难以兼顾良好的系统动态响应能力和鲁棒性，在谐振峰附近的三次截止频率处通常存在相位裕度过低的情况，大幅放大了该频率处的高频谐波，从而不满足国家规定的并网标准。

关键词：逆变器单神经元；自调节；PID电流控制策略

引言

随着能源紧缺和环境污染日益严峻，光伏等新能源以其环保性和不竭性日益成为解决危机的有效措施。逆变器作为光伏并网系统的核心，其控制技术是整个并网系统的研究重点。现有的光伏并网逆变器多采用传统的PID控制器，具有结构简单、易于数字化等优点，但由于光伏并网系统本身具有非线性，利用线性控制策略（传统PID控制）难以获得良好的动态性能，即用固定不变的PID参数去控制参数不断变化，系统干扰较多的系统，难以获得理想的控制效果。由于模糊控制本身是一个非线性的控制方法，抗干扰能力强，具有良好的自适应性，因此本文将模糊PID控制应用于逆变器的控制中。

1单神经元自调节PID调节器

单神经元自调节PID调节器的等效过程如图1所示。

图1单神经元自调节PID调节器等效模型

图1中，K为该过程中的增益值，所以可以得到如下式的关系式：

其中

式中：X为输入向量；W为连接权值向量。根据式（1）可以得到输出的表达式为

式中：u（k）为输出值。

本文所提方案的基础是单神经元，该方案的优点是具有自调节以及自主学习的能力，因此将上述理论与传统的PID调节器进行组合控制，能够消除传统PID调节器固定参数的缺点。单神经元的输入与输出之间的变化关系如下式：

控制量计算公式为

其中，x1（k）类似于传统PID调节器中的积分项；x2（k）类似于传统PID调节器中的比例项；x3（k）类似于传统PID调节器中的微分项。相对于传统的PID调节器来说，本文所提的方案中wi（k）有自主学习的能力，能够根据给定的不同进行实时自主整定，相对于传统的PID调节器参数固定的缺陷，单神经元自调节PID调节器无疑具备更高的优势。

单神经元自调节PID调节器中wi（k）的学习能力是基于某种特定的规律的，系统的差异导致规律的不同，根据实际系统设计不同的学习规律才能够使得本文所提方案的优势最大化。常用的学习规律有三类：无监督的Hebb学习规律、有监督的Delta学习规律和有监督的Hebb学习规律。对于无监督的Hebb学习规律而言，可能会导致连接权值无限增大的问题；对于有监督的Delta学习规律而言，在计算过程中又可能会导致陷入局部极小的问题；而将前两种学习规律结合起来即为有监督的Hebb学习规律，可根据要求进行自主学习和自调节，是一种适合本文T型三电平逆变器的方案。有监督的Hebb学习规律如下：

式中：wij为单元j到i的输出值；η为自主学习的快慢，一般是大于0的；di为希望得到的控制量；oi，oj分别为单元i和j的输出值。将式（5）作为本文的自调节方案的学习规律，可以得到本文输出的表达式为

其中

三个权值的更新规律为

式中：ηI，ηP，ηD为所对应自主学习快慢，遵循有监督的Hebb学习规律中自主学习快慢的取值规律，通常三者取值不一致。

2逆变器单神经元自调节PID电流控制策略

搭建了T型三电平逆变器实验平台，用于验证本文所提出的单神经元自调节PID调节器用于T型三电平逆变器并网电流的快速跟踪。平台使用意法公司的STM32F407ZG作为核心数字控制芯片，并使用Altera公司的EPM240型号CPLD作为辅助控制芯片，直流电源使用Myway电源。具体电路参数为：电网滤波电感L=6mH，直流侧电容C1=C2=1500μF，开关频率10kHz，直流母线电压200V，电网相电压100V，并网电流10/5/8A。

逆变器并网时，直流侧上电容电压波形和三相并网电流波形。观察波形可知上电容电压100V，为直流侧输入的50%，中点电位达到平衡，并网电流ia，ib，ic呈现正弦，证明了本文所提方案在T型三电平逆变器并网时能够对电流进行控制。

图2是验证本文控制方法的动态效果，是并网电流的参考值进行变化而得到的实验波形。从图2b中可以观察到，当减小并网电流参考值时，从给定发生变化开始到并网电流再次跟上给定值，动态响应过程大约为1.1ms。从图2c中可以观察到，当增大并网电流参考值时，从给定发生变化开始到并网电流再次跟上给定值，动态响应过程大约为1.6ms。因此可以证明单神经元自调节PID调节器具有快速的动态响应。

图2参考值变化时的并网电流波形

在传统PID调节器下的并网电流跟踪上给定的时间大约为4.8ms，而从图9b中可以看出，单神经元自调节PID调节器下整个动态响应时间大约为1.6ms。因此单神经元自调节PID调节器下的并网电流比传统PID调节器下具备更快的动态响应速度。

结语

本文提出将单神经元自调节PID调节器应用于T型三电平逆变器并网系统之中，用于弥补传统PID调节器的动态响应能力不足的问题。介绍了单神经元自调节PID原理及其自主学习的规律，用其代替传统PID调节器，通过实验结果验证了所提方案的正确性和可行性。实验结果证明单神经元自调节PID调节器电流闭环方案能够实现T型三电平的并网，同时比传统PID调节器具备更快的动态响应过程。

参考文献

[1]郭小强.光伏并网逆变器通用比例复数积分控制策略[J].中国电机工程学报，2015，35（13）：3393-3399.

[2]郭小强，贾晓瑜，王怀宝，等.三相并网逆变器静止坐标系零稳态误差电流控制分析及在线切换控制研究[J].电工技术学报，2015，30（4）：8-14.

[3]胡义华，邓焰，刘全伟，等.分段式虚拟过采样数字滞环控制[J].中国电机工程学报，2012，32（36）：1-8.

[4]沈赋，尹斌，孙维广.基于单神经元自适应PID的光伏发电MPPT[J].电力系统及其自动化学报，2017，29（2）：89-95.

[5]韩璐，张开如，樊英杰，等.基于神经元自适应PID永磁同步电机的仿真与研究[J].现代电子技术，2016，39（15）：167-170.

[6]朱明正，耿梦莹，李旭，等.一种T型三电平功率转换系统的控制策略[J].电力电子技术，2019，53（3）：138-140.

[7]刘迪.基于神经网络的PID控制算法[D].哈尔滨：黑龙江大学，2008.

[8]王晓东，陈伯时.单神经元自适应控制传动系统的稳定性分析[J].电气传动，2003，33（1）：25-29.

[9]白建国.离子加速器用精简矩阵型整流电源闭环控制与换流[D].西安：西安理工大学，2017.

[10]周乐明，杨苓，陈燕东，等.降低谐振频率偏差和电网阻抗影响的单逆变器电流反馈谐振抑制方法[J].中国电机工程学报，2018，38（15）：4490-4503，4650.

[11]阮新波，王学华，潘冬华，等.LCL型并网逆变器的控制技术[M].北京：科学出版社，2015：202-210.