單相LCL型并網逆變器的滑?？刂撇呗?/h1>
2016-06-02 11:28:23姜慧鵬劉宜成龐冰洋四川大學電氣信息學院四川成都610065
網絡安全與數據管理 2016年10期
姜慧鵬，劉宜成，蒲 明，龐冰洋（四川大學電氣信息學院，四川成都610065）
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單相LCL型并網逆變器的滑?？刂撇呗?/p>
姜慧鵬，劉宜成，蒲明，龐冰洋
（四川大學電氣信息學院，四川成都610065）
摘 要：為了改善單相LCL型并網逆變器的穩態性能和瞬時響應性能，提出了一種基于改進切換函數的滑?？刂撇呗浴Ｔ摽刂撇呗詮拈_關函數模型角度分析單相LCL型并網逆變器的數學模型，得到系統的狀態方程。通過選取合適的滑模面，求得等效控制。提出一種改進的切換函數設計滑?？刂破鳎⒂美钛牌章宸虻诙ㄗC明了系統的穩定性。最后用MATLAB對系統進行了仿真實驗，仿真結果表明，采用該控制策略的逆變器具有較好的穩態性能和瞬時響應性能，其并網電流畸變率為0.41%。
關鍵詞：滑模控制；并網逆變器；LCL；李雅普洛夫第二法
0 引言
目前，煤炭、天然氣等不可再生資源的日益消耗，使環境污染越來越嚴重，各國都在積極尋求高效、清潔的可再生能源，利用太陽能發電的技術及設備成為研究熱點［1］。
并網逆變器就是其中的一項關鍵設備，它將光伏電池輸出的直流電轉換為有諧波的交流電。為了減小諧波的影響，需要對逆變過后的并網電流進行濾波［2］。LCL濾波器的體積小且能有效濾除電流中的高頻分量，因此被越來越多地采用。不過這種濾波器的電容支路會引起諧振，這就要求控制器具有更強的穩態性能和更好的響應性能［3-5］。
逆變器控制方法已有很多學者研究，常見的幾種也各有其優劣勢。滯環控制穩定性好、響應快，但要求開關頻率高，損耗加大［6-8］。PI控制技術成熟、可靠性高，但具有穩態誤差［9-10］。另外有學者采用具有較好穩定性、魯棒性和瞬時響應特性的滑?？刂疲?0-11］，但對逆變器的模型做了一定的簡化，且在控制器中引入了基于傳遞函數模型的PI控制。本文從開關函數角度出發，推導了單相LCL型并網逆變器的數學模型，并采用基于改進切換函數的滑?？刂撇呗栽O計控制器。最后，用MATLAB仿真驗證了控制器的有效性和正確性。
1 電路結構及數學模型
單相LCL型并網逆變器采用橋式逆變，并網側用LCL濾波器濾波，電路結構如圖1所示。其中，Udc、Uin、UC和e分別直流側電壓、逆變器輸出電壓、濾波電容電壓和并網電壓；iL、iC、ig分別為流過逆變器側電感L1的電流、流過濾波電容Cf的電流和流過網側電感Lg的并網電流［12］。
圖1 單相LCL型并網逆變器的電路結構
由基爾霍夫電壓和電流定律，列出各個回路的電路方程如下：
其中，Sk為開關函數。
以上方程可化簡為：
2 滑模控制器的設計
滑模控制有基于等效控制和基于趨近律的兩種實現方法［13］，這里采用基于等效控制的方法。設計步驟如下。
首先選取滑模面：
其中，k1、k2為大于零的常數。
由s=0得：
將式（3）代入推導得：
在取切換控制時，采用改進的切換控制函數：
其中，k3、k4為大于零的常數。則可以得到控制量u =ueq+ un，即：
這里得到的控制量是一個連續的時間信號，需要通過一個PWM產生器，產生4個開關信號來控制全橋的對應開關。
3 穩定性的證明
取正定標量函數：
則有：
將以上各公式代入得：
其中
又因f（ueq）為式（5）中x3的導數值，即：
代入式（11）中得：
根據李雅普諾夫第二法的相關論述可知系統穩定。
4 系統仿真分析
為了證明改進的滑?？刂破鞯挠行裕肕ATLAB對一臺額定容量為1 kVA的并網逆變器進行了仿真，控制器分別采用雙閉環（PI+P）控制策略［14］和改進的滑?？刂撇呗?。表1列出了系統的仿真參數。
表1 仿真參數
為觀察系統的穩態性能，在并網逆變器穩定運行時，分析并網電壓與并網電流，并對并網電流做FFT分析。為了突出對比，將電流放大了10倍顯示。
采用雙閉環（PI+P）控制策略時，并網電壓和并網電流如圖2所示，并網電流的FFT分析如圖3所示，并網電壓與并網電流同頻同相，THD為0.66%。
圖2 并網電壓和并網電流
采用改進的滑?？刂撇呗詴r，并網電壓和并網電流如圖4所示，并網電流的FFT分析如圖5所示，并網電壓與并網電流同頻同相，THD為0.41%，系統具有較好的穩態性能。
圖3 并網電流的FFT分析
圖4 并網電壓和并網電流
圖5 并網電流的FFT分析
為觀察系統的瞬時響應性能，分析了負載在滿載與半載之間跳變的情況，得到了跳變（跳變時刻t=0.025 s）時的并網電流波形。
采用雙閉環（PI+P）控制策略時，半載至滿載跳變的情況如圖6所示，滿載跳變至半載的情況如圖7所示，并網電流能在0.002 s（0.1個周期）內恢復穩定運行，且有最大為0.7的超調。
圖6 半載跳變至滿載
圖7 滿載跳變至半載
采用改進的滑模控制策略時，半載至滿載跳變的情況如圖8所示，滿載跳變至半載的情況如圖9所示，并網電流能在0.001 s（0.05個周期）內恢復穩定運行，且沒有超調，系統具有較好的瞬時響應性能。
圖8 半載跳變至滿載
圖9 滿載跳變至半載
5 結論
本文推導了單相LCL型并網逆變器的數學模型，提出了一種基于改進切換函數的滑?？刂撇呗?。1 kVA并網逆變器的仿真研究表明，采用本文所提出的滑?？刂撇呗?，系統具有較好的穩態性能，在負載跳變后，系統能快速地恢復穩定運行，具有很好的瞬時響應特性。
參考文獻
［1］艾欣，韓曉男，孫英云.大型光伏電站并網特性及其低碳運行與控制技術［J］.電網技術，2013，37（1）：15-23.
［2］李澤斌，羅安，田園，等.LCL型光伏并網逆變器電流內環控制方法［J］.電網技術，2014，38（10）：2772-2778.
［3］趙晉斌，張元吉，屈克慶，等.單相LCL并網逆變器控制策略綜述［J］.電工技術學報，2013，28（10）：134-142.
［4］戴訓江，晁勤.基于LCL濾波的光伏并網逆變器電流滯環控制［J］.電力電子技術，2009，43（7）：33-35.
［5］臧鵬，洪峰，辛張楠，等.LCL濾波器型雙Buck并網逆變器［J］.電子技術應用，2015，41（10）：129-132.
［6］馬小虎，袁曉玲，施俊華.改進滯環電流控制策略在光伏并網中的研究［J］.電源技術，2013，37（11）：2019-2022.
［7］彭傳彪，王少坤，王曉鋒，等.自適應滯環電流控制逆變器復合控制策略［J］.電力自動化設備，2011，31（7）：42-47.
［8］黃少輝，林培杰，程樹英，等.電流型并網逆變器的模糊滯環控制［J］.微型機與應用，2015，34（13）：73-76.
［9］韓金剛，朱瑞林，湯天浩，等.LCL型并網逆變器并網電流復合控制研究［J］.太陽能學報，2014，35（9）：1599-1605.
［10］何翔，張代潤.基于滑?？刂频娜喙夥⒕W逆變器研究［J］.電源技術，2014，38（4）：672-675.
［11］王朗珠，丁茂桃，鄭連清.一種新的三相電壓型PWM整流器控制［J］.電力電子技術，2012，46（5）：57-59.
［12］黃摯雄，徐保友，沈玲菲，等.LCL并網逆變器新型電流雙閉環控制策略研究［J］.電力系統保護與控制，2012，40（17）：1-5.
［13］劉金琨.滑模變結構控制MATLAB仿真［M］.北京：清華大學出版社，2005.
［14］吳衛民，劉松培，何遠彬.單相LCL并網逆變器電流控制綜述［J］.電源技術，2011，34（2）：52-58.
姜慧鵬（1990 -），男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子及其控制技術。
劉宜成（1975 -），男，博士，副教授，主要研究方向：非線性控制。
蒲明（1981 -），男，博士，講師，主要研究方向：滑模控制。
引用格式：姜慧鵬，劉宜成，蒲明，等.單相LCL型并網逆變器的滑?？刂撇呗裕跩］.微型機與應用，2016，35（10）：72-74，78.
Sliding mode control strategy for single-phase grid connected inverter with LCL filter
Jiang Huipeng，Liu Yicheng，Pu Ming，Pang Bingyang
（School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China）
Abstrac t：In order to improve the static and dynam ic performance of the single-phase grid connected inverter with LCL filter，a sliding mode control strategy based on an improved switching function is proposed.This control strategy，from the point of switching function model，analyses themodel of the system and obtains its state equation .By selecting proper slidingmode surface，it gets the equivalent control，puts forward a slidingmode controller using improved switching function and then proves the system stability by the second Lyapunov method.At last，it builds the inverter simulation experiment using MATLAB，and the simulation results show that the inverter using this strategy has a good dynamic response performance，and its total harmonic distribution of grid current is 0.41%.
Key w ords：sliding mode control；grid connected inverter；LCL filter；second Lyapunov method
作者簡介：
收稿日期：（2016-02-23）
中圖分類號：TM46
文獻標識碼：A
DOI：10.19358 /j.issn.1674-7720.2016.09.025
姜慧鵬，劉宜成，蒲 明，龐冰洋（四川大學電氣信息學院，四川成都610065）
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單相LCL型并網逆變器的滑?？刂撇呗?/p>
姜慧鵬，劉宜成，蒲明，龐冰洋
（四川大學電氣信息學院，四川成都610065）
摘 要：為了改善單相LCL型并網逆變器的穩態性能和瞬時響應性能，提出了一種基于改進切換函數的滑?？刂撇呗浴Ｔ摽刂撇呗詮拈_關函數模型角度分析單相LCL型并網逆變器的數學模型，得到系統的狀態方程。通過選取合適的滑模面，求得等效控制。提出一種改進的切換函數設計滑?？刂破鳎⒂美钛牌章宸虻诙ㄗC明了系統的穩定性。最后用MATLAB對系統進行了仿真實驗，仿真結果表明，采用該控制策略的逆變器具有較好的穩態性能和瞬時響應性能，其并網電流畸變率為0.41%。
關鍵詞：滑模控制；并網逆變器；LCL；李雅普洛夫第二法
0 引言
目前，煤炭、天然氣等不可再生資源的日益消耗，使環境污染越來越嚴重，各國都在積極尋求高效、清潔的可再生能源，利用太陽能發電的技術及設備成為研究熱點［1］。
并網逆變器就是其中的一項關鍵設備，它將光伏電池輸出的直流電轉換為有諧波的交流電。為了減小諧波的影響，需要對逆變過后的并網電流進行濾波［2］。LCL濾波器的體積小且能有效濾除電流中的高頻分量，因此被越來越多地采用。不過這種濾波器的電容支路會引起諧振，這就要求控制器具有更強的穩態性能和更好的響應性能［3-5］。
逆變器控制方法已有很多學者研究，常見的幾種也各有其優劣勢。滯環控制穩定性好、響應快，但要求開關頻率高，損耗加大［6-8］。PI控制技術成熟、可靠性高，但具有穩態誤差［9-10］。另外有學者采用具有較好穩定性、魯棒性和瞬時響應特性的滑?？刂疲?0-11］，但對逆變器的模型做了一定的簡化，且在控制器中引入了基于傳遞函數模型的PI控制。本文從開關函數角度出發，推導了單相LCL型并網逆變器的數學模型，并采用基于改進切換函數的滑?？刂撇呗栽O計控制器。最后，用MATLAB仿真驗證了控制器的有效性和正確性。
1 電路結構及數學模型
單相LCL型并網逆變器采用橋式逆變，并網側用LCL濾波器濾波，電路結構如圖1所示。其中，Udc、Uin、UC和e分別直流側電壓、逆變器輸出電壓、濾波電容電壓和并網電壓；iL、iC、ig分別為流過逆變器側電感L1的電流、流過濾波電容Cf的電流和流過網側電感Lg的并網電流［12］。
圖1 單相LCL型并網逆變器的電路結構
由基爾霍夫電壓和電流定律，列出各個回路的電路方程如下：
其中，Sk為開關函數。
以上方程可化簡為：
2 滑模控制器的設計
滑模控制有基于等效控制和基于趨近律的兩種實現方法［13］，這里采用基于等效控制的方法。設計步驟如下。
首先選取滑模面：
其中，k1、k2為大于零的常數。
由s=0得：
將式（3）代入推導得：
在取切換控制時，采用改進的切換控制函數：
其中，k3、k4為大于零的常數。則可以得到控制量u =ueq+ un，即：
這里得到的控制量是一個連續的時間信號，需要通過一個PWM產生器，產生4個開關信號來控制全橋的對應開關。
3 穩定性的證明
取正定標量函數：
則有：
將以上各公式代入得：
其中
又因f（ueq）為式（5）中x3的導數值，即：
代入式（11）中得：
根據李雅普諾夫第二法的相關論述可知系統穩定。
4 系統仿真分析
為了證明改進的滑?？刂破鞯挠行裕肕ATLAB對一臺額定容量為1 kVA的并網逆變器進行了仿真，控制器分別采用雙閉環（PI+P）控制策略［14］和改進的滑?？刂撇呗?。表1列出了系統的仿真參數。
表1 仿真參數
為觀察系統的穩態性能，在并網逆變器穩定運行時，分析并網電壓與并網電流，并對并網電流做FFT分析。為了突出對比，將電流放大了10倍顯示。
采用雙閉環（PI+P）控制策略時，并網電壓和并網電流如圖2所示，并網電流的FFT分析如圖3所示，并網電壓與并網電流同頻同相，THD為0.66%。
圖2 并網電壓和并網電流
采用改進的滑?？刂撇呗詴r，并網電壓和并網電流如圖4所示，并網電流的FFT分析如圖5所示，并網電壓與并網電流同頻同相，THD為0.41%，系統具有較好的穩態性能。
圖3 并網電流的FFT分析
圖4 并網電壓和并網電流
圖5 并網電流的FFT分析
為觀察系統的瞬時響應性能，分析了負載在滿載與半載之間跳變的情況，得到了跳變（跳變時刻t=0.025 s）時的并網電流波形。
采用雙閉環（PI+P）控制策略時，半載至滿載跳變的情況如圖6所示，滿載跳變至半載的情況如圖7所示，并網電流能在0.002 s（0.1個周期）內恢復穩定運行，且有最大為0.7的超調。
圖6 半載跳變至滿載
圖7 滿載跳變至半載
采用改進的滑模控制策略時，半載至滿載跳變的情況如圖8所示，滿載跳變至半載的情況如圖9所示，并網電流能在0.001 s（0.05個周期）內恢復穩定運行，且沒有超調，系統具有較好的瞬時響應性能。
圖8 半載跳變至滿載
圖9 滿載跳變至半載
5 結論
本文推導了單相LCL型并網逆變器的數學模型，提出了一種基于改進切換函數的滑?？刂撇呗?。1 kVA并網逆變器的仿真研究表明，采用本文所提出的滑?？刂撇呗?，系統具有較好的穩態性能，在負載跳變后，系統能快速地恢復穩定運行，具有很好的瞬時響應特性。
參考文獻
［1］艾欣，韓曉男，孫英云.大型光伏電站并網特性及其低碳運行與控制技術［J］.電網技術，2013，37（1）：15-23.
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［13］劉金琨.滑模變結構控制MATLAB仿真［M］.北京：清華大學出版社，2005.
［14］吳衛民，劉松培，何遠彬.單相LCL并網逆變器電流控制綜述［J］.電源技術，2011，34（2）：52-58.
姜慧鵬（1990 -），男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子及其控制技術。
劉宜成（1975 -），男，博士，副教授，主要研究方向：非線性控制。
蒲明（1981 -），男，博士，講師，主要研究方向：滑模控制。
引用格式：姜慧鵬，劉宜成，蒲明，等.單相LCL型并網逆變器的滑?？刂撇呗裕跩］.微型機與應用，2016，35（10）：72-74，78.
Sliding mode control strategy for single-phase grid connected inverter with LCL filter
Jiang Huipeng，Liu Yicheng，Pu Ming，Pang Bingyang
（School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China）
Abstrac t：In order to improve the static and dynam ic performance of the single-phase grid connected inverter with LCL filter，a sliding mode control strategy based on an improved switching function is proposed.This control strategy，from the point of switching function model，analyses themodel of the system and obtains its state equation .By selecting proper slidingmode surface，it gets the equivalent control，puts forward a slidingmode controller using improved switching function and then proves the system stability by the second Lyapunov method.At last，it builds the inverter simulation experiment using MATLAB，and the simulation results show that the inverter using this strategy has a good dynamic response performance，and its total harmonic distribution of grid current is 0.41%.
Key w ords：sliding mode control；grid connected inverter；LCL filter；second Lyapunov method
作者簡介：
收稿日期：（2016-02-23）
中圖分類號：TM46
文獻標識碼：A
DOI：10.19358 /j.issn.1674-7720.2016.09.025
