滑模控制光伏并網逆變方案的研究

鐘博 高飛燕 姜鵬 張亮

【摘要】傳統的太陽能并網逆變器大多采用PI控制方案，這種方案控制算法簡單易實現但無法消除穩態誤差，對系統參數變化及擾動敏感，魯棒性不強。于此本文提出在太陽能發電并網系統中運用滑模控制器的控制方案，設計滑模控制模型并對其穩定性進行分析，用計算機仿真和實驗結果證明了滑模控制器的優點。

【關鍵詞】滑模控制;擾動;并網;魯棒性

Abstract：PI control scheme is adopted by most of the traditional PV grid-connected inverter，this schemes control algorithm is simple and easy to be implemented，but the steady-state error can not be eliminated，and weak robustness to the system parameters change or disturbance. In this paper a solution，which using sliding mode controller in PV grid-connected system，is presented，the sliding mode control model is designed and its stability is analyzed. The excellent of sliding mode controller is proved by the computer simulation and experimental results.

Key words：sliding mode control;disturbance;grid-connected;robustness

一、引言

光伏并網逆變器是能將太陽能電池板產生的直流電能饋入國家電網中的裝置，也就是一個將直流與交流對接的轉換器。而光伏并網逆變器所采用的控制方案影響著太陽能發電效率和并網電能質量以及逆變器的成本。采用開環控制結構雖然簡單成本低，但不能消除干擾所帶來的誤差，滿足不了控制要求。采用傳統的PI電流跟蹤方案[1]，由于給定跟蹤信號為正弦信號，所以控制精度不是很高，效果也不是很理想。滑模控制器[2][3]（Sliding Mode Control）的控制方案具有快速響應，對參數變化及擾動不敏感[4]，無需系統在線辨識，魯棒性強[5]，實現簡單等優點，在現代控制中得到越來越多的關注。本文將滑模控制理論應用于光伏并網逆變器控制系統中，建立了滑模控制模型，對系統的穩定性進行了分析，并將其與傳統的PI控制方案相比較分析其優劣。

二、單相全橋并網逆變器模型

本文根據單相全橋逆變拓撲結構來寫，如圖1所示：

圖1 單相全橋并網逆變器拓撲結構

圖1所示為電壓型逆變拓撲結構圖，Vdc為PV陣列經BOOST電路升壓及控制后穩定的直流母線電壓，Id為直流母線電流，IL為并網電流，L為輸出濾波電感，其作用是濾除交流側的PWM諧波電流，并且能使系統獲得一定的阻尼特性，從而有利于實現交流側正弦波電流輸出控制和系統穩定運行。R為線路中的等效電阻，一般很小。e（t）為電網電壓，Q1-Q4為功率開關器件，對角導通。圖中各參數之間的關系為：

（1）

三、滑模變結構控制設計

設計滑模變結構控制系統基本包括兩個相對獨立的部分[6]：（1）設計確定切換函數S（x），使其確定的滑動模態漸近穩定且具有良好的動態品質。（2）設計滑動模態控制律u+（x）、u-（x），使到達條件得到滿足，從而在切換面上形成滑動模態區。

一旦確定了切換函數S（x），和滑動模態控制律，滑模控制系統也就能搭建起來。

圖1中Uab為SPWM調置的網側電壓，其波形為交流的方波脈沖，經輸出濾波電抗器L后變成正弦波電壓。本文定義開關函數為sm其表達式為：

（2）

由上式可求得：

（3）

對圖1，根據基爾霍夫電壓、電流定律可知：

（4）

取IL，Vdc為狀態變量，令x1=IL，x2=Vdc，則由（1）、（3）、（4）式可得系統狀態方程為：

（5）

設計切換函數為：

（6）

式中IL*為正弦指令電流，IL為并網電流k1，k2為大于零的常系數。設系統進入滑動模態后的等效控制為ueq，根據滑模變結構控制理論有[7]：

（7）

則可解得等效控制：

（8）

在有外加干擾和不確定因素的系統，一般采用等效控制加切換控制的控制律，如下：

（9）

然后將滑模控制器輸的出與三角載波比較即可得到PWM驅動信號。（9）式中uvss為切換控制實現對外加干擾和不確定性的魯捧控制。

（10）

sign（ ）為符號函數。由于滑模控制系統中存在時間和空間的滯后性，系統慣性等影響不可避免的產生“抖振”現象[8]，這會降低系統的穩定性和控制精度，而且目前沒有辦法完全消除這一缺點，只能減弱。為了減弱“抖振”用連續函數取代符號函數：

（11）

控制律u要滿足滑模穩定條件即：

（12）

穩定性分析：

取李亞普諾夫函數為：

（13）

顯然V正定，如系統漸近穩定則負定。下面證明負定。

（14）

由狀態方程式可得：

（15）

則聯合式8、9、10、11、14、15可得到：

所以負定。由此可知系統漸近穩定，滑模控制器方案選擇的正確性。

四、Simulink仿真

逆變系統滑模控制器建立好之后用Matlab的Simulink模塊進行仿真實驗。根據拓補結構和數學模型可以在Simulink模塊中搭建如圖2所示仿真模型。

SMC子模塊為滑模控制器模塊，CMP為PWM生成模塊。主回路參數：輸出濾波電感4mH，直流端電容3000uF，直流電壓為400V，電網為50Hz，220V交流電壓。指令電流峰值為20A，最高開關頻率為30kHz。輸出等效電阻R為0歐。k1=10，k2=1，k3=0.1，k4=0.1。仿真波形如圖3所示。圖4所示為傳統的PI加電壓前饋控制的仿真波形。

圖3 滑模控制Matlab仿真波形

圖4 傳統PI控制Matlab仿真波形

圖5 FFT分析結果圖

由圖3和圖4所示波形可知，滑模控制方式的出輸出電流為與電網同頻同相的正弦波，幅值與指令電流相等，而PI控制方式的電流幅值與指令電流不相等，有誤差存在。當改變外部參數電感值時跟蹤效果仍然不錯只是電感減小時電流紋波增大。FFT分析如圖5所示，電流總諧波含量THD=3.32%，符合國家并網標準。

五、實驗測試結語

為了驗證滑模控制器在并網逆變器中的可行性，搭建了一個5kW的單相并網逆變器實驗測試平臺。主回路電感選擇為3.6mH，直流母線電容為共為6000uF，前級BOOST電路去掉采用發電機經整流后給直流母線提供直流電。直流電壓為400V左右開關頻率不大于30kHz。實驗測試波形如圖6所示。從圖6可看出電流波形為與電網同頻同相的正弦波形，電流波形比較平滑，這說明所設計滑模控制器方案的可行性，正確性和優越性。

圖6 電網電壓和并網電流波形

在單相光伏并網逆變器中采用滑模控制器的方案，建立了滑模控制模型并分析了系統的穩定性。仿真和實驗結果證明較傳統的PI控制方案控制精度更高，電流跟蹤效果和系統魯棒性更好。但也存在不足，就是存在抖振問題，并且需要很高的開關頻率來保證滑模運動，對于電力電子裝置來說越高的開關頻率就會帶來更大的開關損耗，這會影響開關器件的性能和壽命。為克服這些不足，近年來提出了雙頻變換理論這種新型的拓補理論，在雙頻變換器中采用滑模控制理論既能避免高頻切換下的開關損耗又能保證系統的魯棒性[9]，可以較好的消弱抖振問題。

參考文獻

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[9]侯世英，庹無科，徐曦，等.用于可再生能源發電的雙頻并網逆變器仿真研究[J].電網技術，2009，33（1）：61-64.

作者簡介：

鐘博（1989—），男，湖南邵陽人，南華大學研究生，主要研究方向：智能信息處理與智能控制。

高飛燕（1968—），女，湖南祁陽人，南華大學副教授，碩士生導師，研究方向：智能檢測及智能儀表。