基于滑模變結(jié)構(gòu)光伏并網(wǎng)逆變器控制研究

（皖江工學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

太陽(yáng)能作為清潔綠色新能源，其開發(fā)和利用已然成為解決一次能源帶來的環(huán)境問題和能源危機(jī)的重要措施之一[1-2]。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是太陽(yáng)能利用研究的一個(gè)重要方向，主要控制任務(wù)是控制DC/AC逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓的頻率、相位、幅值一致，同時(shí)輸出的并網(wǎng)電流為諧波含量少、畸變率小、穩(wěn)定的正弦波，并且其頻率、相位與電網(wǎng)電壓一致即功率因數(shù)為1[3-4]。并網(wǎng)逆變器作為并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備，它的控制對(duì)提高并網(wǎng)的發(fā)電效率、降低成本具有積極意義[5]。目前在實(shí)際應(yīng)用中并網(wǎng)逆變器的控制方法有很多，常規(guī)的控制策略(如滯環(huán)電流控制、單環(huán)PI 控制、雙環(huán)PI 控制、重復(fù)控制、無差拍控制等策略)需要有精確的模型，電路參數(shù)也隨時(shí)間發(fā)生變化，具有非線性，控制精度也不高，并且需要跟蹤正弦電流，所以控制效果往往不盡人意[6-8]。為克服電路參數(shù)的時(shí)變問題，本文采用響應(yīng)快、魯棒性好、不需要在線辨識(shí)、物理實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)的滑模變結(jié)構(gòu)控制(sliding mode control，SMC)方法對(duì)并網(wǎng)逆變器進(jìn)行控制。

1 基本工作原理

本文以單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)為控制對(duì)象，后級(jí)DC/AC 逆變電路一般采用全橋電路，如圖1 所示[9]。

圖1 全橋逆變電路拓?fù)?/p>

圖中udc為通過Boost 電路升壓后的穩(wěn)定電壓；uab為SPWM 方式控制下的輸出交流脈沖波電壓；unet為電網(wǎng)電壓；inet為逆變器輸出并網(wǎng)電流；RL為線路的等效電阻，一般很??；L為濾波電感，主要用于濾除逆變器輸出的高次諧波。根據(jù)基爾霍夫電壓定律及歐姆定律可得：

圖2 為并網(wǎng)逆變器滑?？刂葡到y(tǒng)框圖，在并網(wǎng)逆變器控制的全過程中關(guān)鍵就在于對(duì)電流的控制，因?yàn)椴⒕W(wǎng)控制需要并網(wǎng)電流inet要時(shí)刻快速地跟蹤上參考電流的變化。其控制過程是首先通過電壓環(huán)產(chǎn)生并網(wǎng)電流的參考值；然后，將參考值與實(shí)際檢測(cè)的電流inet進(jìn)行比較得到偏差e，隨后對(duì)偏差e進(jìn)行 SMC 處理后與三角載波進(jìn)行比較得到SPWM 信號(hào)；最后，通過功率驅(qū)動(dòng)模塊控制主電路產(chǎn)生與電網(wǎng)同頻、同相的電流并入電網(wǎng)。

圖2 并網(wǎng)逆變器滑模控制系統(tǒng)框圖

定義開關(guān)函數(shù)Sk，當(dāng)T1、T3導(dǎo)通，T2、T4關(guān)斷Sk=1；當(dāng)T1、T3關(guān)斷，T2、T4導(dǎo)通Sk=0，（k=1 或2）。在理想的情況下，Sk與橋臂間電壓的關(guān)系如表1 所示；與DC-link 輸入電流的關(guān)系如表2 所示。

表1 Sk 與橋臂間電壓的關(guān)系

表2 Sk與DC-link 輸入電流的關(guān)系

由表1、表2 可得：

假設(shè)狀態(tài)變量x1=［inetudc］T，x2=［unetidc］T，x(t)=s1-s2，則變量狀態(tài)方程為：

選取滑模切面為P-I 形式：

根據(jù)李雅普諾夫準(zhǔn)則[11-14]，才能滿足滑動(dòng)模態(tài)存在性使得系統(tǒng)穩(wěn)定，所以在x(t)中加入非線性開關(guān)函數(shù)x′(t)，即：

結(jié)合式(3)、式(6)可得：

將式(10)代入式(11)整理可得：

對(duì)式(12)進(jìn)行討論如下。

(1)當(dāng)S＞0時(shí)，sgn（S）=1，

(2)當(dāng)S≤0時(shí)，sgn（S）=-1，

由討論可知所提控制策略遵循李雅普諾夫準(zhǔn)則，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性及滑動(dòng)模態(tài)存在性。

2 仿真分析

選取參數(shù)udc=400 V，RL=0.01 Ω，，KP=0.5，Ki=295。L=6 mH，基于Smiulink 中對(duì)SMC 和PI 2 種控制方法進(jìn)行仿真分析其各自響應(yīng)輸出如圖3 所示。

圖3 DC/AC 電流控制仿真輸出

圖3 可知，PI 和SMC 2 種控制方法都能夠很好對(duì)并網(wǎng)電流的進(jìn)行跟蹤。由諧波分析PI 控制的總諧波畸變率（THD）等于2.01%，SMC 控制的THD=0.44%。與PI 控制相比，滑模變結(jié)構(gòu)控制輸出的inet波形紋波很小，曲線光滑。

本文采用調(diào)制策略是雙極性SPWM，并網(wǎng)電流inet紋波電流的大小為，當(dāng)unet=0時(shí)并網(wǎng)電流過零點(diǎn)，此時(shí)紋波電流值最大為，可見，最大紋波電流值的大小與udc、L、fs有關(guān)[15]。其中，udc為直流DC-Link 電壓；fs為開關(guān)頻率，一般不變，所以紋波電流值與濾波電感L有關(guān)。當(dāng)udc、fs和其他參數(shù)不變的情況下，改變L的值，此時(shí)PI 控制與SMC 的并網(wǎng)電流輸出波形及諧波分析如圖4 所示。

圖4 電感發(fā)生變化時(shí)并網(wǎng)電流輸出與諧波分析

由圖4 可知，當(dāng)L發(fā)生變化時(shí)，滑模變結(jié)構(gòu)控制輸出的inet的幅值、相位變化很小，只是紋波稍有增加，THD 由0.44%增加到0.68%，而PI 控制輸出的并網(wǎng)電流波形變化較大，THD 由2.01%增加到4.65%，SMC 相比PI 控制THD 降低了90%以上，說明SMC 對(duì)參數(shù)變化不敏感，具有很好的魯棒性。

上述結(jié)論是假設(shè)udc為400 V 得到的，由于udc對(duì)光照強(qiáng)度S和外界溫度T很敏感，所以就S、T對(duì)udc影響做如下仿真分析：(1)當(dāng)T、L不變，S由1 000 W/m2變化到800 W/m2時(shí)，udc及功率因數(shù)輸出如圖5 所示；(2)當(dāng)S、L不變，T由50 ℃變化到25 ℃時(shí)，udc及功率因數(shù)輸出如圖6 所示。

圖5 S發(fā)生變化時(shí)udc及功率因數(shù)輸出波形

圖6 T發(fā)生變化時(shí)udc及功率因數(shù)輸出波形

從圖5、圖6 可以看出，外界輸入光照強(qiáng)度或溫度發(fā)生變化時(shí)，DC/DC 輸出電壓可迅速上升到400 V 左右，上下幅度變化很??；同時(shí)，輸出波形畸變率小，功率因數(shù)很高接近1。

3 結(jié)論

將滑模變結(jié)構(gòu)控制理論用于光伏并網(wǎng)逆變器控制中，首先推導(dǎo)并證明了滑模面的存在性及系統(tǒng)的穩(wěn)定性；然后，基于MATLAB 仿真平臺(tái)對(duì)SMC及傳統(tǒng)的PI 控制方式進(jìn)行仿真比較，同時(shí)分析了光照強(qiáng)度與外界溫度發(fā)生變化對(duì)udc的影響，結(jié)果得到：(1)光照強(qiáng)度與外界溫度發(fā)生變化時(shí)，udc幅度變化很小，在-1～1 V 之間，并且可快速跟蹤電壓（約0.06 s）；(2)相比PI 控制，SMC 提高了并網(wǎng)系統(tǒng)的控制精度，THD 從2.01%降至0.44%；（3）改善了控制系統(tǒng)魯棒性和跟蹤特性，當(dāng)電感發(fā)生變化時(shí)，SMC 相比PI 控制輸出電流THD 降低了90%以上，同時(shí)，當(dāng)光照、溫度發(fā)生變化時(shí)，DC/DC 輸出電壓可迅速上升到400 V 左右，功率因數(shù)近似為1。以上結(jié)果證明了所選理論是正確可行的，并具有一定的優(yōu)越性。