基于定頻PWM滑模的直流微電網控制策略

穆帥飛，茍軍年，楊劍鋒

（蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院，蘭州 730070）

0 引言

隨著越來越多的新能源接入大電網，微電網的概念應運而生。它可以集成不同的分布式電源和儲能系統，應用于不同的場景。微電網可分為交流微電網和直流微電網兩種類型。交流微電網已被許多國內外學者研究。近幾年，直流微電網由于具備能量轉換效率高，功耗低的特點，也開始引起廣泛關注。在控制方式上，相較于交流微電網，直流微電網中只存在有功功率，無需考慮微電網系統的頻率、相位、無功功率等問題，不僅降低了微電網的控制復雜程度，而且提高了供電電能質量[1]。

直流微電網的結構特點是系統里面的分布式電源、儲能設備、負載等都通過電力電子變換裝置先連接到直流母線，而直流母線再通過逆變器與外部大電網相連接，如圖1中的結構。直流微電網可通過電力電子轉換裝置向不同等級的交、直流負荷輸送電能，而分布式電源和負荷的波動則可由儲能設備在直流側進行調節[2]。

圖1 直流微電網結構

直流微電網有并網和孤島兩種運行模式。目前國內外已有很多學者對微電網的孤島運行控制方式展開過研究[3～5]，文獻[3]針對風儲直流微電網采用粒子群算法減小直流母線電壓的波動，提高系統的響應時間。文獻[4]將神經網絡與下垂控制相結合，能夠自動實現功率分配，同時減少了傳感器設備數量降低了系統成本。文獻[5]針對光伏電池的最大功率跟蹤過程提出一種非對稱模糊控制方法，對儲能系統采用分段式控制，以應對不同情況下的功率分配問題，以上方法有效地解決了電壓波動較大的問題，但邏輯控制過程較為復雜。

基于以上研究現狀，本文針對含太陽能光伏板、負載和蓄電池的小型微電網系統，提出一種定頻PWM滑模控制策略。孤島運行條件下，光伏系統仍然采用最大功率跟蹤法，但與傳統控制方法略有不同，加入閉環PI控制器，進一步提高系統的穩定性。針對電力電子系統的變結構特點，對蓄電池的充放電過程采用滑模控制，為了減小開關頻率對系統的影響，引入等效控制法，固定開關管的頻率。最后在Matlab中搭建仿真模型，驗證所提出控制策略的有效性及可行性。

1 整個系統的組成

本文所采用的小型微電網結構如圖2所示，分布式電源太陽能光伏板和蓄電池分別通過Boost電路和雙向DC-DC變換器匯聚到直流母線處。

圖2 小型微電網結構

1.1 光伏電池的建模

太陽能光伏板的輸出功率通常受太陽光照強度和環境溫度的影響較大[6]，如圖3所示是在不同溫度和光照強度的情況下，光伏板的輸出功率曲線圖。為了提高轉換效率，確保光伏電池的輸出功率始終最大，對升壓變換器采用最大功率跟蹤點控制，其控制流程圖如圖4所示。

圖3 不同光照強度和溫度下輸出功率

圖4 最大功率跟蹤點控制流程圖

1.2 蓄電池和雙向DC-DC變換器的建模

蓄電池經由雙向DC-DC變換器連接到直流母線，有充電和放電兩種工作狀態，以電感電流iL和電容電壓Uo為狀態變量列寫狀態空間方程。其等效電路如圖5所示。

1）Buck工作模式下的電路圖如圖5(a)所示，D1始終處于截止狀態，D2周期性的通斷，當D2截止時電感通過二極管放電，電感電流下降，蓄電池處于充電狀態，其狀態空間方程如下：

圖5 雙向DC-DC變換器等效電路圖

式(1)中iL＜0，m2表示一個周期內開關器件D2的占空比。

2）Boost工作模式下的電路圖如5(b)所示，相反地，D2始終處于截止狀態，D1周期性的通斷。當D1導通時電感電流上升，蓄電池處于放電狀態，其狀態空間方程如下：

式(2)中iL＞0，m1表示一個周期內開關器件D1的占空比。

令x1=ib,x2=Uo綜合以上方程可得出雙向DC-DC變換器完整的動態方程如下[7]：

當太陽能光伏板的輸出功率可以滿足負載所需功率時，蓄電池不工作；當太陽能光伏板的輸出功率大于負載所需功率時，蓄電池吸收過剩功率；反之，蓄電池和太陽能光伏板輸出功率共同向負載供電。在實際的應用之中，光照、溫度以及負載都是在不斷變化的，為了滿足應用需求，必須采用合適的控制策略保證直流母線電壓的穩定。

2 滑模控制

2.1 滑模控制原理

滑模控制是一種常見的應用于變結構系統的非線性控制方法。滑模控制過程可以分為兩個階段[8]：到達階段和滑動階段。在第一階段（到達階段）不管被控軌跡處于哪一位置，都將受到滑模控制的作用朝所設計的滑模面移動。當軌線到達滑模面之后進入第二階段（滑動階段），此時系統將受無窮大頻率切換函數的作用，使軌線不離開滑模面上。圖6是被控系統在滑模控制作用下的原理圖。

圖6 滑模控制過程

2.2 滑模控制器的設計

DC-DC變換器是在兩個子電路拓撲結構之間不斷切換，具備變結構的特點，所以可直接運用變結構的原理對其進行分析和控制[9～11]。

蓄電池在工作時，有充放電兩種狀態。當蓄電池向負載供電時，升壓變換器占空比到輸出電壓的傳遞函數具有右半平面零點（right half plane zero,RHPZ）的特性，這通常使得受控系統的動態響應滯后，因此，常常采用定頻PWM滑模電流控制器[12,13]。

滑模電流控制器利用輸出電壓誤差和電感電流誤差作為受控狀態變量[14]，與常規的電流控制器一樣，利用放大后的輸出電壓誤差產生瞬時電流參考值iref：

定義電壓誤差e1，電流誤差e2以及電感電流誤差和輸出電壓誤差的積分e3：

用S表示滑模面，它可以由狀態變量e1e2e3表示：

式(6)中α1、α2、α3是滑動系數

利用連續導電模式下雙向DC-DC變換器的狀態空間方程和式(5)可以得到系統的動態模型為：

由于式(8)和式(9)得到控制器的輸入：

定頻滑模控制器通過脈沖寬度調制實現，令0＜u=m12＜1，則控制信號Vc和載波信號幅值Vramp分別為：

3 仿真搭建及分析

為驗證所提控制策略可行性和有效性，通過在MATLAB中搭建如圖7所示等效電路圖，并對其進行驗證，仿真時采用5個并聯的光伏電池，一個額定容量為50Ah的蓄電池。系統的參數如表1所示。

圖7 控制策略框圖

系統中的電感電容參數由以下式子求得：

經過多次反復試驗，取滑模電流控制器的參數如表2所示。

表2 控制器參數表

3.1 穩態過程分析

當光照強度為250W/m2，仿真時間到達0.5s時，光伏達到最大功率266W，蓄電池SOC基本不變，由光伏電池向負載供電，蓄電池不工作，仿真結果如圖8(a)～圖8(c)所示；當光照強度為500W/m2時，仿真時間在0.5s時，光伏達到最大功率539W，蓄電池的SOC一直在增加，蓄電池處于充電狀態，仿真結果如圖9(a)～圖9(c)所示。

圖8 光照強度為250W/m2的仿真圖

圖9 光照強度為500W/m2的仿真圖

從以上兩個例子都可以看出mppt算法能夠正常工作，采用定頻PWM滑模控制器的蓄電池始終維持母線電壓在50V。

3.2 瞬態過程分析

當光照強度從500W/m2增加到1000W/m2時，母線電壓突然增大，蓄電池必須快速吸收過剩的功率，以維持直流母線電壓的穩定，仿真結果如圖10所示。當光照強度為500W/m2負載從10Ω突變為50Ω時，母線電壓突然增加，之后恢復到50V左右，仿真結果如圖11所示。

圖10 光照強度突變時的瞬態過程

圖11 負載突變時的瞬態過程

由以上仿真結果可以看出：直流微電網進入孤島運行時，當負載或光照強度發生變化時，采用定頻PWM滑模控制策略都能夠使得母線電壓快速恢復到期望值，并保持恒定，與預期結果一致。

4 結語

本文針對含光伏和蓄電池的直流微電網結構在孤島運行條件下穩定性及抗擾性，提出一種定頻PWM滑模電流控制器，具體結論如下：

1）光伏系統在保持最大功率的同時，蓄電池通過充放電維持直流母線電壓的恒定；

2）利用等效控制法，固定開關管的頻率，減小開關損耗，抑制噪聲干擾；

3）滑模電流控制器是雙環控制，維持直流電壓穩定的同時，可以有效地控制蓄電池的充放電電流，以延長蓄電池的使用壽命；

4）針對負載和光照強度突變，滑模電流控制器表現出了良好的穩定性和魯棒性。