基于二重積分滑模控制的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

李志軍 張仔坤 奚文霞 王娟 張川博

摘 要： 為改善光伏并網(wǎng)逆變器的動態(tài)特性，根據(jù)逆變器數(shù)學(xué)模型，利用二重積分滑?？刂?，設(shè)計(jì)兩級結(jié)構(gòu)的單相光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)。前級利用PI控制完成升壓穩(wěn)壓，后級通過滑模控制實(shí)現(xiàn)逆變并網(wǎng)，完成滑動模態(tài)在逆變系統(tǒng)的理論推導(dǎo)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真研究，并與PI控制系統(tǒng)進(jìn)行比較，其結(jié)果表明所提出的控制策略是正確的，并且具有實(shí)現(xiàn)簡單的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 光伏發(fā)電； 逆變器； 控制器； 控制算法； PI控制； 二重積分滑?？刂?/p>

中圖分類號： TN876?34； TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）17?0128?04

Abstract： In order to improve the dynamic characteristic of PV grid?connected inverter， a single?phase PV grid?connected inverter system with two?stage structure was designed according to the mathematical model of the inverter and double integral sliding mode control. The PI control is used in the pre?stage to achieve the voltage boost and voltage stabilization， the sliding mode control is used in the backward?stage to realize the grid connection of the inverter. The theoretical derivation of the sliding mode in the inverter system is performed. The simulation study is carried out on the above basis. The proposed control system is compared with PI control system. The results show that the proposed control strategy is correct， and has the characteristic of easy implementation.

Keywords： photovoltaic generation； inverter； controller； control algorithm； PI control； double integral sliding mode control

0 引 言

光伏發(fā)電技術(shù)是一項(xiàng)面向未來，具有深刻意義的新能源技術(shù)。并網(wǎng)逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其控制方法的選擇對提高光伏發(fā)電效率、提升供電品質(zhì)具有重要意義[1?3]。常規(guī)控制方法有PI控制以及電流環(huán)和電壓環(huán)的雙閉環(huán)控制。PI控制易于實(shí)現(xiàn)，但電流跟蹤誤差較大。雙閉環(huán)控制效果較好，但是系統(tǒng)控制方案實(shí)施相對復(fù)雜[4?7]。在現(xiàn)代控制理論中，利用先進(jìn)的控制策略，不僅可以提高系統(tǒng)的整體控制性能，有時(shí)可使技術(shù)實(shí)施方案大大簡化。由于滑模變結(jié)構(gòu)控制具有優(yōu)良的動態(tài)性能和易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，在現(xiàn)代控制中得到越來越多的關(guān)注[8?12]。本文將滑模變結(jié)構(gòu)控制理論引入到光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)中，采用二重積分滑?？刂疲―ouble Integral Sliding Mode Control，DISMC）方法，完成滑動模態(tài)在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的理論推導(dǎo)，并且分別利用PI控制和滑?？刂苾煞N控制方法實(shí)現(xiàn)逆變并網(wǎng)，其結(jié)果表明控制方案的可實(shí)現(xiàn)性及簡易性。

1 主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主電路中，DC/DC電路采用Boost結(jié)構(gòu)，通過PI控制，完成升壓和穩(wěn)壓工作。DC/AC電路采用單相全橋結(jié)構(gòu)，經(jīng)過滑模控制實(shí)現(xiàn)逆變并網(wǎng)。需要說明的是，本文中所述單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主拓?fù)洳捎秒娏餍筒⒕W(wǎng)模式，因此其濾波環(huán)節(jié)僅使用1個(gè)電感。

1.1 DC/DC電路

DC/DC電路主要由電感[L1]、電容[C]、二極管VD以及開關(guān)管S組成。在電流連續(xù)的情況下，有兩種工作狀態(tài)：

1） S導(dǎo)通，二極管VD關(guān)斷；

2） S關(guān)斷，二極管VD導(dǎo)通，通過PI控制完成升壓和穩(wěn)壓工作。

控制電路由電壓比較環(huán)節(jié)、PI調(diào)節(jié)器以及PWM信號生成環(huán)節(jié)組成。整個(gè)電路通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比達(dá)到升壓和穩(wěn)壓的目的。

1.2 DC/AC電路

DC/AC電路采用單相全橋結(jié)構(gòu)，其中[L2]為濾波電感，[Unet]為電網(wǎng)電壓，[UAB]是未經(jīng)濾波的逆變器輸出電壓。4只功率 MOSFET 管分為兩組，其中VT1和VT4為一組，VT2和VT3為一組，兩組交替通斷，網(wǎng)側(cè)電流[IL2]表示如下：

2 滑?？刂破髟O(shè)計(jì)

2.1 滑?？刂圃?/p>

滑?？刂剖且环N適用于非線性系統(tǒng)的控制策略。該控制方法的特性是可以迫使系統(tǒng)在一定條件下沿規(guī)定的狀態(tài)軌跡做小幅度、高頻率的上下運(yùn)動?？梢哉f，滑?？刂剖且环N具有預(yù)定滑動模態(tài)的開關(guān)控制[13]。

l） 滑動模態(tài)存在；

2） 滿足可達(dá)性條件：在切換面[s（x）=0]以外的狀態(tài)點(diǎn)都將于有限時(shí)內(nèi)到達(dá)切換面；

3） 滑模運(yùn)動的穩(wěn)定性。