基于滑模控制的獨立光伏發電系統控制策略

宋汶秦，薛 晟，張中丹，王興貴，郭 群

（1.國網甘肅省電力公司 經濟技術研究院，蘭州730050；2.蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，蘭州730050）

隨著能源需求的急劇加大和石化能源的不斷消耗，其他可替代能源受到越來越多的關注，豐富的太陽能資源在應用中被證明是一種經濟的能源[1]，目前光伏發電系統作為分布式電源受到人們的重視，為提高能源利用率，對光伏發電系統進行最大功率點跟蹤（MPPT）成為其研究重點之一[2]，最大功率點跟蹤是一個自動尋優過程，為克服固定電壓法、電導增量法、擾動觀察法[3]等常用MPPT 方法的缺點，近年來發展了滑模控制、模糊邏輯控制、遺傳算法等智能控制方法，以提高控制精度和響應時間[4]。

對于離網運行分布式發電系統，可以采用蓄電池等儲能裝置，其對于系統的穩定控制、電能質量改善和不間斷供電具有非常重要的作用，文獻[5]介紹了多種適用于獨立發電系統的儲能裝置；文獻[6]比較了不同儲能裝置的特點，文獻[7]提出孤島微源逆變器雙閉環控制策略，實現對交流母線電壓和頻率的穩定控制；文獻[8]在傳統下垂控制的電壓電流環加入動態虛擬阻抗反饋，增強了系統頻率和電壓的動態穩定性。在此，以研究光伏電池滑模MPPT控制為基礎，分別提出了逆變器輸入側直流母線電壓穩定控制策略和獨立光伏發電系統微源逆變器電壓電流雙閉環控制策略。

1 系統拓撲結構及數學模型

所研究的獨立光伏發電系統拓撲結構如圖1所示。光伏電池PV（photo voltaic）組件輸出后，經第1級Boost變換器實現升壓，以滿足負載側直流母線電壓利用率要求[9]，同時實現光伏陣列MPPT；第2級電路由三相逆變器，通過濾波器連接到負載組成。逆變器輸入側直流母線通過雙向DC/DC變流器接入蓄電池，確保系統輸出電壓穩定，以滿足負載供電需求。

圖1 系統拓撲結構Fig.1 System topology

1.1 光伏陣列模型

理想的單個光伏電池可等效為電流源并聯二極管的形式，考慮光伏陣列形式，其I-U 特性表示為[10]

式中：Ipv為輸出電流；Upv為輸出電壓；Isc為光生電流；I0為二極管反向飽和漏電流；Uth為光伏陣列端電壓；Rs為光伏陣列的等效串聯電阻；Rb為等效并聯電阻。

1.2 boost變換器模型

通過VT7開關函數u的模式組合，得到Boost變換器的狀態空間平均模型如下：

u=0時，VT7關斷，二極管VD1導通，電感L放電，電容C充電，表達為

u=1時，VT7導通，VD1截止，電感L 儲能，電容C 放電，表示為

式（2）、式（3）平均得到變換器的平均狀態空間模型為

式中：RL為Boost輸出直流側等效負載；d為VT7占空比。

1.3 逆變器模型

逆變器采用滯環電流控制策略，其輸出電壓va，vb，vc以及直流側輸入電流Idc與逆變器開關狀態s1，s2和s3有關。

1.4 儲能系統模型

雙向DC/DC變流器的上、下橋臂開關管控制信號反向，兩管交替互補導通，這種控制方式不需要狀態邏輯單元就可以獲得雙向狀態切換，系統響應更快[11]，忽略開關損耗，可得系統狀態空間方程為

式中：d1，d2分別為雙向DC/DC變流器開關管V1，V2的占空比；im為儲能系統輸出電流；Ibt為蓄電池輸出電流；ubt為蓄電池端口電壓。

2 系統控制策略

2.1 光伏電池滑模MPPT控制

滑模控制應用于微源MPPT 具有良好的跟蹤性能且抗干擾性強，在此采用一階滑模控制器作為優化工具，由PV 特性曲線可知，當?Ppv/?Upv=0，即Upv?Ppv/?Upv+Ipv=0時，太陽電池將持續產生最大功率輸出，因此定義滑模切換函數s，可得

而在PV輸出功率曲線中，滑模切換函數s 疊加調節量Δ 即可到達MPP點。因此可將控制函數α設置為

為減少系統不確定性及外界干擾對系統的影響，將滑模控制結構分為等效控制αeq和變結構控制αw兩部分，即

其中，αeq確保系統狀態在滑模面上，αw確保在非理想情況，系統狀態不離開滑模面，αeq由條件s˙=0 得出，滿足：

變結構控制αw可定義為

式中：K為趨近律系數，且K>0。存在邊界層Δ，使得sat（s）滿足：

因此，控制信號α應為

結合文獻[12-13]可知，選取李亞普洛夫函數為

在此所選滑模切換函數s滿足廣義滑動模態存在條件，即

則對于系統（4），選擇切換函數（7），采用式（13）所示開關信號，系統存在滑動模態，并符合穩定性需求。

2.2 逆變器輸出控制

獨立光伏發電系統運行時，為確保系統能夠穩定運行，逆變環節采用電壓電流雙閉環控制，從而為系統提供電壓和頻率支撐，電壓外環的主要作用是確定指令電流的參考值和穩定系統逆變器交流側電壓幅值，電流內環根據指令電流參考值對電流進行控制，實現電流快速跟蹤。系統控制原理如圖2所示。

圖2 逆變器輸出控制原理Fig.2 Inverter output control schematic

系統運行時，坐標變換相位θ 由系統給定頻率積分所得，電壓外環的給定電壓與反饋電壓作比較后，經PI 調節器并加入濾波電容電流解耦分量得到電流內環參考值，之后與反饋電流進行比較，電流環也采用PI 調節器，輸出后加入電感電壓解耦分量得到電流內環輸出量，再乘以調節系數Kd，Kq并經坐標反變換得到系統調制信號參考值。

2.3 儲能系統控制

蓄電池雙向DC/DC變流器工作于單端穩壓模式以確保逆變器輸入側直流母線電壓穩定，母線電壓參考值Udc*與測量值Udc的差值經PI 調節器得到蓄電池參考電流ibt*，與ibt作差經PI 調節器得到輸出控制信號，經脈寬調制后實現變換器的控制。其控制原理如圖3所示。

圖3 蓄電池控制原理Fig.3 Battery control schematic

3 仿真結果

為驗證所提出控制策略的有效性，利用MatLab/Simulink 建立了基于滑模控制的光伏電池MPPT、蓄電池儲能以及微源逆變器仿真模型，其中PV 參數見表1。

表1 PV 參數Tab.1 PV parameters

根據搭建的仿真模型，設置環境溫度為25℃。仿真時間0～2 s時，光照強度為420 W/m2；2～4 s時，光照強度為450 W/m2；4～6 s時，光照強度為410 W/m2；6～8 s時，光照強度為380 W/m2；8～10 s時，光照強度為420 W/m2，PV輸出電流及功率波形如圖4所示，Boost變流器輸出功率及電壓波形如圖5所示。

由圖4，圖5可見，當環境溫度保持不變，而光照輻射強度變化時，PV輸出電流波動較大，符合光伏電池的輸出特性，隨著光照輻射強度增加，PV的最大功率點跟隨增加光照輻射強度。Boost變流器輸出功率、電壓均跟隨PV輸出功率變化。

圖4 PV輸出電流及功率的波形Fig.4 Waveform of PV output current and power

圖5 Boost輸出功率及電壓的波形Fig.5 Waveform of Boost output power and voltage

將3 組PV 電池串聯組成PV 發電單元，通過逆變器輸出，采用儲能補償后的光伏微源直流鏈電壓波形如圖6所示，由圖可見，在光照條件變化的情況下，直流鏈電壓幅值波動較小，輸出電壓穩定，表明該控制策略能夠達到良好的直流鏈電壓穩定控制效果。

圖6 逆變器輸入側電壓波形Fig.6 Voltage waveform at input side of inverte

負載從28 Ω變化至20 Ω時，系統的電壓、電流波形如圖7所示，圖中，時間為2 s時，負載增大，系統線電壓減小，1個工頻周期后電壓恢復。可見系統電流在負載變化時發生突變，電流增大。

圖7 系統輸出電壓及電流的波形Fig.7 Waveform of system output voltage and current

系統輸出頻率波形如圖8所示，由圖可見，在負載突變情況下，系統輸出頻率偏差始終保持在-0.2～0.2 Hz 以內，滿足電網頻率要求。

圖8 系統頻率波形Fig.8 System frequency waveform

4 結語

所提出的基于滑模控制和電壓電流雙閉環控制的獨立光伏發電系統運行策略，經過仿真驗證，表明：基于滑模變結構的MPPT控制器能夠在光照輻射強度變化條件下快速跟蹤最大功率，控制效率較高，提高了光伏微源利用率；采用蓄電池儲能裝置可有效抑制光伏微源輸出功率隨機性引起的逆變器輸入側直流母線電壓波動；系統逆變器采用電壓電流雙閉環控制可確保在負載波動條件下系統輸出電壓和頻率的穩定。