薛 陽, 鄭 蓉, 闞東躍, 時宇飛, 鄭夢秋
(上海電力學(xué)院 自動化工程學(xué)院, 上海 200090)
基于準(zhǔn)Z源逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)的雙滑模變結(jié)構(gòu)控制
薛 陽, 鄭 蓉, 闞東躍, 時宇飛, 鄭夢秋
(上海電力學(xué)院 自動化工程學(xué)院, 上海 200090)
準(zhǔn)Z源逆變器作為一種新型的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),除了具有Z源逆變器多種優(yōu)點外,還可以降低逆變器的電壓電流額定值,使逆變器的輸入電流更加連續(xù).分析了雙滑模變結(jié)構(gòu)控制設(shè)計方式的優(yōu)點.在光伏發(fā)電部分加入滑模變結(jié)構(gòu)控制,能夠更加快速跟蹤光伏輸出電壓,從而達(dá)到跟蹤最大功率點的目的;在光伏并網(wǎng)逆變器部分加入滑模變結(jié)構(gòu)控制,能有效提高系統(tǒng)的魯棒性和并網(wǎng)電能質(zhì)量.最后,通過仿真模型驗證了所建模型的準(zhǔn)確性以及控制系統(tǒng)的有效性.
準(zhǔn)Z源逆變器; 滑模變結(jié)構(gòu)控制; 最大輸出功率快速跟蹤; 光伏發(fā)電
光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)需要解決兩個技術(shù)難點:一是光伏陣列最大輸出功率快速跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT);二是保證單位功率因子并網(wǎng),且電流總諧波畸變率低于5%,符合IEEE929—2000規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)[1].現(xiàn)代控制理論的控制策略主要包括多變量狀態(tài)反饋控制,無差拍控制,滑模變結(jié)構(gòu)控制,模糊控制,重復(fù)控制等[2].其中,滑模變結(jié)構(gòu)控制的優(yōu)點是對系統(tǒng)參數(shù)變化和外部擾動不敏感,具有較強的魯棒性.由于光伏發(fā)電輸出受天氣影響很大,尤其在多云天氣,發(fā)電功率會出現(xiàn)快速劇烈變化[3],因此使用滑模變結(jié)構(gòu)控制能夠有效地提高系統(tǒng)魯棒性,提高響應(yīng)速度和并網(wǎng)電能質(zhì)量[4].
準(zhǔn)Z源逆變器作為一種新型的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),與Z源逆變器相比可以降低逆變器的電壓電流額定值,使逆變器的輸入電流更加連續(xù).
對于傳統(tǒng)的三相逆變器控制,靜止坐標(biāo)系下的線性調(diào)節(jié)器無法消除穩(wěn)態(tài)誤差,目前常用的方法是通過對三相變量進(jìn)行坐標(biāo)變換,對轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流量進(jìn)行調(diào)節(jié),從而消除穩(wěn)態(tài)誤差.基于以上考慮,在對準(zhǔn)Z源逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模時,采用的是將三相變量變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流量.
忽略光伏電池內(nèi)阻與光伏電池的并聯(lián)電阻的情況下,光伏電池的電流輸出特性方程為:
(1)
式中:IPV——光伏電池的輸出電流;
IL——光生伏打電流;
U——光伏電池端電壓;
IO——流過二極管的反向飽和漏電流;
q——電荷量,q=1.6×10-19C;
K——玻爾茲曼常數(shù),K=1.38×10-23J/K;
T——光伏電池的工作溫度;
A——二極管的PN結(jié)面積,A=1~2 cm2.
光伏電池的輸出功率為:
PPV=IPVUPV
(2)
式中:PPV——光伏電池的輸出功率;
UPV——光伏電池的輸出電壓.
在Park坐標(biāo)系下,正常運行時逆變器系統(tǒng)的控制方程為:
(3)
式中:P,Q——逆變器輸出的有功功率與無功功率;
Ud,Uq——逆變器交流側(cè)電壓的d軸分量和q軸分量;
Id,Iq——逆變器交流側(cè)電流的d軸分量和q軸分量.
一般認(rèn)為光伏發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送的只是有功功率,故有:
(4)
假設(shè)準(zhǔn)Z源逆變器的Z網(wǎng)絡(luò)是對稱的,即:
(5)
根據(jù)準(zhǔn)Z源逆變器的9種開關(guān)狀態(tài)——6種非零電壓狀態(tài),3種零電壓狀態(tài),可以將準(zhǔn)Z源逆變器的工作模式分為以下兩種.
一是直通模式.其直通狀態(tài)如圖1所示.
(6)
式中:UO——空載電壓;
UDC——直流輸出電壓.
圖1 直通狀態(tài)示意
二是非直通模式.其直通狀態(tài)如圖2所示.
TS=TO+TC
式中:TS——開關(guān)周期;
TO——直通運行時間;
TC——非直通時間.
(7)
圖2 非直通狀態(tài)示意
由于光伏系統(tǒng)只向電網(wǎng)輸送有功功率,所以在一個周期內(nèi),電感電壓的平均值為零.即:
(8)
故有:
(9)
式中:D——直通占空比.
由于(1/(1-2D))>1,故準(zhǔn)Z源逆變器具有升壓能力,則逆變器輸出的相電壓基波峰值為:
(10)
通過調(diào)節(jié)調(diào)制因子m可以實現(xiàn)交流側(cè)輸出電壓的升高與降低,由此擴(kuò)大了準(zhǔn)Z源逆變器的使用范圍,使其應(yīng)用更加廣泛.
光伏并網(wǎng)系統(tǒng)模型如圖3所示.其狀態(tài)空間方程所列如下:
圖3 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)模型
(11)
轉(zhuǎn)換為同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下的方程為
(12)
式中:ua,ub,uc——電網(wǎng)電壓;
ia,ib,ic——逆變器并網(wǎng)電流;
L——每相電路的濾波電感;
R——傳輸導(dǎo)線和電感上的相電阻;
Ti——逆變器上下橋臂IGBT的通斷情況,i=1,2,3;
id,iq——d-q坐標(biāo)系下的交流電流;
ud,uq——d-q坐標(biāo)系下的交流電壓;
Dd,Dq——d-q坐標(biāo)下電力電子開關(guān)管的占空比.
當(dāng)Ti=0時,上橋臂IGBT導(dǎo)通,下橋臂IGBT截止;當(dāng)Ti=1時,下橋臂IGBT導(dǎo)通,上橋臂IGBT截止.
假設(shè)準(zhǔn)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)的電感、電容足夠大且系統(tǒng)的開關(guān)頻率也足夠大,忽略準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)電感的內(nèi)阻[5],則在穩(wěn)態(tài)時,一個開關(guān)周期內(nèi)電感L1的電流為恒定值,即:
(13)
由電容特性可得光伏輸出電壓閉環(huán)傳遞函數(shù)為:
uPV(s)=
(14)
將式(14)變換到時域后再求導(dǎo),得:
(15)
2.1.1 尋找滑模面s
則有:
(16)
設(shè)計滑模面為:
(17)
所設(shè)計的滑模面適用于典型的反饋控制,其中若C>0,求解微分方程時,明顯e(t)會趨于零.故滿足選擇的滑模面的要求.
2.1.2 選取控制器u(t)
對式(17)求導(dǎo)得到:
-f(X)-bu(t)-D(X,t))
(18)
式中:xd——光伏輸出電壓瞬時值.
采用指數(shù)趨近律:
(19)
式中,ε,k>0.
當(dāng)s較大時,系統(tǒng)狀態(tài)會以較大的速度趨近于滑模面;當(dāng)s接近于零時,趨近速度不是零,從而保證了在有效時間內(nèi)達(dá)到最大功率點跟蹤.
故取控制率u(t)為:
(20)
由于D(X,t)具有不確定性,故需要有一個固定的DC,它與D(X,t)的邊界有關(guān),即:
(21)
得到新的滑模變結(jié)構(gòu)控制率為:
(22)
因此有:
(23)
2.1.3 驗證
由式(4)可以推導(dǎo)id的參考值為:
(24)
式中:Pref——光伏陣列輸出的最大功率,由MPPT控制器按照一般的擾動觀察法給出.
根據(jù)電壓定向控制原理,假設(shè)開始(t=0)時d軸與a軸重合,只要逆變器并網(wǎng)的三相電流滿足式(4),就能達(dá)到上述控制目標(biāo),即:iq=0,id=iref.因此,逆變器并網(wǎng)電流的參考值iaref,ibref,icref選取為:
(25)
2.2.1 尋找滑模面
假設(shè)滑模面函數(shù)為:
(26)
2.2.2 選擇控制率
由式(26)可得:
(27)
式中:ua-con,ub-con,uc-con——逆變器的三相端電壓.
選取控制率為:
(28)
2.2.3 驗證
(1) 能達(dá)性 當(dāng)ka,kb,kc滿足
(29)
為了驗證上述理論分析結(jié)果的正確性,對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗證.系統(tǒng)仿真模型的簡化圖如圖4所示.
圖4 系統(tǒng)仿真模型
其主要的參數(shù)如下:準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的電容C1=C2=1 000 μF,電感L1=L2=400 μH,開關(guān)頻率TS=10 kHz,濾波電容CPV=1 000 μF.光伏電池參數(shù)如下:參考溫度為25 ℃,參考光照強度為1 000 W/m2下的開路電壓UOC=45.5 V,短路電流ISC=5.6 A,額定功率Pm=190 W.最大功率點跟蹤采用擾動觀察法[6].
假設(shè)環(huán)境溫度為25 ℃,保持不變,在1.5 s時光照強度從1 000 W/m2突變?yōu)?00 W/m2,分別對有滑模變結(jié)構(gòu)控制與無滑模變結(jié)構(gòu)控制進(jìn)行仿真.無滑模變結(jié)構(gòu)的控制就是在圖4的基礎(chǔ)上,去掉兩個滑模控制器進(jìn)行仿真.
有/無滑模變結(jié)構(gòu)控制下的光伏發(fā)電系統(tǒng)部分的upv和ipv波形如圖5和圖6所示.對比圖5和圖6可以看出,有滑模變結(jié)構(gòu)控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的upv和ipv波形更加平滑,抖動、諧波更少.
有/無滑模變結(jié)構(gòu)控制下的光伏逆變并網(wǎng)側(cè)的電壓ua,ub,uc在時間域為0~2 s,1.4~1.6 s的波形如圖7和圖8所示.對比圖7和圖8可以看出,有滑模變結(jié)構(gòu)控制的伏逆變并網(wǎng)側(cè)的電壓ua,ub,uc波形更加平滑一點,出現(xiàn)的抖動更少.
由此可見,滑模變結(jié)構(gòu)控制能夠增強系統(tǒng)的魯棒性,在光照發(fā)生突變的情況下,在光伏發(fā)電部分加入滑模變結(jié)構(gòu)控制能夠更加快速跟蹤光伏輸出的電壓與電流,系統(tǒng)的魯棒性有所提高;在光伏并網(wǎng)逆變器控制部分加入滑模變結(jié)構(gòu)控制能夠有效地提高系統(tǒng)魯棒性,同時也提高了并網(wǎng)的電能質(zhì)量.
圖6 光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電流
圖7 時間域為0~2 s的光伏逆變并網(wǎng)側(cè)的ua,ub,uc波形
圖8 時間域為1.4~1.6 s的光伏逆變并網(wǎng)側(cè)的ua,ub,uc波形
本文提出了一種雙滑模變結(jié)構(gòu)控制的新方法:在光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)系統(tǒng)中分別加入滑模變結(jié)構(gòu)控制.通過有滑模變結(jié)構(gòu)控制與無滑模變結(jié)構(gòu)控制的實驗仿真比較可知:在光伏發(fā)電部分加入滑模變結(jié)構(gòu)控制,能夠更加快速跟蹤光伏輸出的電壓與電流,系統(tǒng)的魯棒性有所提高;在光伏并網(wǎng)逆變器控制部分加入滑模變結(jié)構(gòu)控制,能夠有效地提高系統(tǒng)魯棒性和并網(wǎng)的電能質(zhì)量.其不足之處在于:系統(tǒng)的響應(yīng)速度沒有明顯提高;仿真波形雖然有所改進(jìn),但諧波依然存在.
[1] 李軍紅,洪鎮(zhèn)南.三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2012,40(12):83-87.
[2] 何翔,張代潤.基于滑模控制的三相光伏并網(wǎng)逆變器研究[J].電源技術(shù),2014,38(4):672-675.
[3] 劉勝杰,吳苓芝.一種準(zhǔn)Z-源DC-DC變流器的研究[J].微型機與應(yīng)用,2012,31(17):33-36.
[4] 郭會娜,黃洪全.擾動觀察法與滯環(huán)比較法實現(xiàn)MPPT的比較分析[J].太陽能,2008,11(11):30-32.
[5] BANAEI M R,DEHGHANZADEH A R,SALARY E,etal.Z source-based multilevel inverter with reduction of switches[J].IET Power Electronics,2012,5(3):385-392.
[6] 陳宗祥,蔣贏,潘俊民,等.基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的Z源逆變器在單相光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國電機工程學(xué)報,2008,28(21):33-39.
DoubleSlidingModeControlofPhotovoltaicSystemBasedonQuasiZSourceInverter
XUE Yang, ZHENG Rong, KAN Dongyue, SHI Yufei, ZHENG Mengqiu
(SchoolofAutomationEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)
As a new type of circuit topology structure,quasi Z source inverter can reduce the voltage and current ratings of inverter,and enable the input current of inverter to be more continuous in addition to the advantages of Z source inverter.The benefits of double sliding mode control are analyzed.In the part of generating photovoltaic system,the sliding mode control can track the output voltage more rapidly,achieving the aim of maximum power point tracking.In the part of grid-connected system,sliding mode control can effectively improve the response of system and the quality of power.By simulation,the accuracy of the model and effectiveness of the control system are obtained.
quasi Z source inverter; sliding mode control; maximum power point tracking; photovoltaic power generation
10.3969/j.issn.1006-4729.2017.05.010
2016-12-28
鄭蓉(1993-),女,在讀碩士,江蘇淮安人.主要研究方向為光伏發(fā)電.E-mail:15996553382@163.com.
上海市自然科學(xué)基金(13ZR1417800);國家自然科學(xué)基金(51405286);上海市重點科技攻關(guān)計劃項目(14110500700);上海市電站自動化技術(shù)重點實驗室項目(13DZ2273800).
TM615;TM464
A
1006-4729(2017)05-0459-07
(編輯 胡小萍)