基于滑模變結(jié)構(gòu)的三相LCL型并網(wǎng)變換器控制系統(tǒng)設(shè)計

孫澤廷

基于滑模變結(jié)構(gòu)的三相LCL型并網(wǎng)變換器控制系統(tǒng)設(shè)計

孫澤廷

（天津港保稅區(qū)益誠電力設(shè)備有限公司，天津 300450）

針對LCL型并網(wǎng)變換器構(gòu)成的三階系統(tǒng)導致的諧振效應(yīng)，提出一種新型的電流滑模變電流內(nèi)環(huán)控制策略，采用改進型指數(shù)趨近律改善滑模面的抖振現(xiàn)象，無需增加額外的傳感器，可有效抑制并網(wǎng)電流諧波，同時動態(tài)響應(yīng)快速?；谕暾膶嶒灲Y(jié)果說明了控制策略的有效性。

滑模變結(jié)構(gòu)；LCL濾波器；三相逆變器；滑模控制

1 引言

LCL型并網(wǎng)變換器由于具有優(yōu)良的高頻衰減特性和高功率密度等優(yōu)勢，在三相并網(wǎng)變換器中獲得普遍推廣[1]。然而，LCL型濾波網(wǎng)絡(luò)作為三階系統(tǒng)，良好的高頻衰減特性在有效降低諧波失真的同時有可能造成并網(wǎng)電流畸變嚴重，導致發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此對LCL型并網(wǎng)變換器控制系統(tǒng)設(shè)計提出了更高要求。

為有效解決上述缺陷，相關(guān)研究人員相繼提出多種控制策略，主要可以分為無源阻尼與有源阻尼兩類。文獻[2-3]提出采用電容支路串接電阻抑制高頻諧振，但增加了額外的功率損耗，降低了整機效率，同時增大了設(shè)計成本，不利于工程應(yīng)用。與無源阻尼相比，有源阻尼由于不會引入額外的功率損耗，因此被廣泛推廣，文獻[4-5]提出通過引入LCL網(wǎng)絡(luò)中電容支路電流反饋來維持整機穩(wěn)定運行，增加額外的電流傳感器，工程設(shè)計成本加大。

滑?？刂瓶捎行б种浦芷谛愿蓴_的同時能夠保證較高的并網(wǎng)功率因數(shù)和正弦度?；诖?，本文提出一種適用于三相LCL型并網(wǎng)逆變器的電流滑?？刂撇呗?，為消除滑?？刂谱陨泶嬖诘亩墩瘳F(xiàn)象，采用了一種改進型的指數(shù)趨近律有效減小抖振影響，抑制LCL型逆變器高頻諧振尖峰。最后，運用完整的實驗平臺進行了必要的驗證分析。

2 三相LCL型并網(wǎng)變換器拓撲及數(shù)學模型

三相LCL型并網(wǎng)變換器的拓撲結(jié)構(gòu)[4]如圖1所示。

圖1 三相LCL型并網(wǎng)變換器電路拓撲

dc為理想直流源；1～6為開關(guān)管；sx（=，，）為并網(wǎng)電壓；Lx為逆變器側(cè)電流gx為并網(wǎng)電流；dc為直流側(cè)電流；濾波電感f、濾波電容f、濾波電感g(shù)構(gòu)成LCL濾波器網(wǎng)絡(luò)。

選取變換器側(cè)電流Lx，并網(wǎng)電流gx與電壓cx為狀態(tài)變量，根據(jù)圖1可得狀態(tài)空間方程為：

式（1）中：L、g、C為濾波電感f、濾波電感g(shù)、濾波電容f的寄生電阻；k為占空比信號。

根據(jù)式（1）可得LCL并網(wǎng)變換器系統(tǒng)模型框圖，如圖2所示。

圖2 LCL并網(wǎng)變換器系統(tǒng)模型框圖

根據(jù)圖2列寫LCL型并網(wǎng)變換器開環(huán)傳遞函數(shù)表達方程為：

式（2）中：為滑模函數(shù)。

3 電流內(nèi)環(huán)滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計

為抑制諧振峰值的影響，有學者提出多樣化的控制方案，如電容支路串接電阻[3]、電容電流預估[4]、單電流反饋控制[5]等，增大系統(tǒng)額外損耗的同時難以保障單位功率因數(shù)。

文中采用基于滑模變結(jié)構(gòu)的電流環(huán)路設(shè)計，選取狀態(tài)誤差偏差為滑模面函數(shù)（）中的變量，則滑模面結(jié)構(gòu)為：

（）=11+2（3）

常用的趨近律主要包含等速趨近律、指數(shù)趨近律、冪次趨近律與一般趨近律，為消除抖振文中采用了一種新型的趨近律，其表達式為：

式（4）中：2為趨近律參數(shù)。

綜合式（1）可得滑模變控制離散輸出信號為：

則三相LCL型并網(wǎng)變換器控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

以a相為例，根據(jù)圖1可列寫各變量關(guān)系為：

假設(shè)網(wǎng)側(cè)電流實時跟蹤給定值為2，可得期望值為：

并網(wǎng)整流器側(cè)電流期望值1需要用到網(wǎng)側(cè)電流期望值2，2與電網(wǎng)電壓保持同相同頻，2和g呈比例關(guān)系，因此系統(tǒng)只需采樣1與g。

當系統(tǒng)工作于滑模面時=0，可得：

滑?？刂坡?eq+n，其中eq為等效控制律，n為切換控制律，則可得：

根據(jù)式（8）與式（4）可得滑?？刂戚敵鲂盘枮椋?/p>

進一步可得廣義滑模觀測器可達性判據(jù)為：

根據(jù)式（10）可知文中設(shè)計采用的電流滑模觀測器滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性條件。

4 實驗驗證分析

以DSP28335為控制芯片，搭建了額定功率為5 kW的三相LCL型并網(wǎng)變換器平臺，并進行了必要的驗證分析，其中濾波電感f=650 μH，濾波電容f=50 μF，開關(guān)頻率為10 kHz，直流電壓為720 V，網(wǎng)側(cè)電壓為380 V/50 Hz。

不同工況下實驗輸出波形如圖4所示。

圖4 不同工況下實驗輸出波形

圖4（a）與圖4（b）為給定系統(tǒng)功率為5 kW與2.5 kW時并網(wǎng)電壓與電流波形，電壓電流始終保持同相位，輸出性能良好，完全滿足國標標準。

滿載切換為半載時實驗輸出波形如圖5所示。

圖5 滿載切換為半載時實驗輸出波形

系統(tǒng)由半載切換至滿載時，系統(tǒng)響應(yīng)快速，魯棒性優(yōu)良。

5 結(jié)論

針對LCL型并網(wǎng)變換器電流跟蹤效果差、難以抑制外部擾動造成系統(tǒng)振蕩等問題，采用基于滑?？刂频碾娏鲀?nèi)環(huán)控制策略，針對滑模變結(jié)構(gòu)的振蕩現(xiàn)象，提出改進型滑模器結(jié)構(gòu)。給出了詳細的理論分析設(shè)計方案，并結(jié)合實驗結(jié)果驗證了理論設(shè)計的可靠性。

［1］揭飛，陳國定，鐘引帆，等.帶LCL濾波的單相逆變器滑?？刂疲跩］.太陽能學報，2017，38（4）：1032-1038.

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TM46

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10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.001

2095－6835（2020）13－0001－02

〔編輯：嚴麗琴〕