一種基于狀態(tài)反饋精確線性化解耦的光伏逆變器滑?？刂撇呗?/h1>

2021-04-25 06:51:56郭永吉

自動(dòng)化與儀表訂閱 2021年4期 收藏

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)

郭永吉

（蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州730050）

近年來，隨著能源需求的不斷增加和傳統(tǒng)石化能源的持續(xù)消耗，其他可替代能源受到了越來越多的關(guān)注。其中豐富的太陽能資源在許多應(yīng)用中被證明是一種經(jīng)濟(jì)的能源，越來越受到人們的重視[1-3]。

對(duì)于獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其輸出電壓穩(wěn)定控制是研究的關(guān)鍵問題之一。文獻(xiàn)[4]研究了一種孤島微網(wǎng)逆變器預(yù)同步電壓電流雙閉環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載條件下對(duì)交流母線電壓和頻率的穩(wěn)定控制。文獻(xiàn)[5]研究了一種自適應(yīng)滑模全局魯棒電壓控制器，以提高逆變系統(tǒng)輸出電壓的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力及抵御濾波參數(shù)攝動(dòng)的能力。文獻(xiàn)[6]研究了一種基于滑?？刂频奈⒃茨孀兤麟p閉環(huán)控制策略，以提高逆變器帶載能力和穩(wěn)態(tài)精度。

光伏發(fā)電系統(tǒng)中可采用超級(jí)電容和蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，其對(duì)于微電網(wǎng)的穩(wěn)定控制、電能質(zhì)量改善和不間斷供電具有非常重要的作用[7]。文獻(xiàn)[8]從可再生能源發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用、分類、設(shè)計(jì)優(yōu)化方法和應(yīng)用情況進(jìn)行綜述。文獻(xiàn)[9]研究了一種混合儲(chǔ)能主從雙環(huán)結(jié)構(gòu)自適應(yīng)控制策略，以抑制孤島微電網(wǎng)直流母線電壓波動(dòng)。

本文在光伏電池輸出功率最大功率跟蹤的前提下，首先通過混合儲(chǔ)能控制實(shí)現(xiàn)了光伏逆變器直流輸入電壓的穩(wěn)定。其次采用狀態(tài)反饋線性化方法對(duì)獨(dú)立運(yùn)行光伏逆變器的狀態(tài)方程進(jìn)行了精確解耦，并設(shè)計(jì)了滑?？刂破饕詫?shí)現(xiàn)負(fù)載波動(dòng)條件下逆變器輸出電壓穩(wěn)定控制。最后通過Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證了所提出控制策略的有效性。

1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文所研究的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。光伏電池（PV）組件輸出后經(jīng)Boost 變換器實(shí)現(xiàn)升壓以滿足負(fù)載側(cè)直流母線電壓利用率要求[10]，同時(shí)實(shí)現(xiàn)光伏陣列最大功率跟蹤MPPT（maximum power point tracking）。Boost 輸出直流電輸入三相逆變器，逆變輸出后通過濾波器連接到負(fù)載。逆變器輸入側(cè)直流母線通過雙向DC/DC 變流器接入超級(jí)電容和蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，以確保逆變器直流輸入側(cè)電壓穩(wěn)定。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 System topology

1.1 Boost 變換器控制

在Boost 電路中，通過調(diào)節(jié)占空比調(diào)節(jié)光伏陣列的輸出電壓，通過采取適當(dāng)?shù)腗PPT 算法可以使光伏陣列在外部環(huán)境變化時(shí)始終工作在最大功率點(diǎn)處。當(dāng)前MPPT 算法較多，常見的算法有恒定電壓控制法、擾動(dòng)觀察法、導(dǎo)納增量法、模糊控制法等[11]。本文所用研究的光伏逆變器采用擾動(dòng)觀察法來實(shí)現(xiàn)MPPT。系統(tǒng)Boost 變換器控制框圖如圖2 所示。

圖2 Boost 變換器控制框圖Fig.2 Control diagram of boost converter

圖中，系統(tǒng)光伏微源陣列電池輸出電壓信號(hào)Upv及電流信號(hào)Ipv經(jīng)過MPPT 算法控制器后輸出電壓參考信號(hào)和微源有功功率Ppv。微源輸出電壓Upv及其參考值的差值作為PI 控制器的輸入，其輸出信號(hào)經(jīng)過PWM 調(diào)試之后驅(qū)動(dòng)Boost 變換器。

1.2 雙向DC/DC 變流器控制

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向DC/DC 變換器用于實(shí)現(xiàn)光伏輸出功率波動(dòng)條件下的逆變器輸入側(cè)直流母線電壓穩(wěn)定控制。其控制原理如圖3 所示。

圖3 混合儲(chǔ)能變換器控制框圖Fig.3 Control diagram of hybrid energy storage converters

圖3（a）為超級(jí)電容雙向DC/DC 變換器控制，光伏電池的原始功率PF經(jīng)低通濾波后得到功率低頻分量PL，做差后得到高頻分量PH。PH除以超級(jí)電容端口電壓usc得到超級(jí)電容參考電流與超級(jí)電容輸出電流isc作差經(jīng)PI 控制器得到輸出控制信號(hào)，經(jīng)脈寬調(diào)制后實(shí)現(xiàn)變換器控制。圖3（b）為蓄電池雙向DC/DC 變換器控制，其工作于單端穩(wěn)壓模式以確保逆變器輸入側(cè)直流電壓穩(wěn)定。直流電壓參考值與實(shí)際值udc的做差經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器得到蓄電池參考電流與蓄電池輸出電流ib作差經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器得到輸出控制信號(hào)，經(jīng)脈寬調(diào)制后實(shí)現(xiàn)其DC/DC 變換器控制。

2 逆變器建模與解耦

2.1 系統(tǒng)建模

結(jié)合圖1，考慮系統(tǒng)輸出線路阻抗R，則獨(dú)立運(yùn)行光伏逆變系統(tǒng)等效電路如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)孤島運(yùn)行等效電路Fig.4 Equivalent circuit of system islanding operation

圖中：Lf為濾波電感；Cf為濾波電容；uoX為三相濾波電容電壓；ioX為三相負(fù)載電流（X∈（A，B，C））；Rload為負(fù)載。根據(jù)KCL 和KVL 定律，三相逆變系統(tǒng)在abc 坐標(biāo)下電壓電流方程為

經(jīng)abc/dq 變換后，三相逆變系統(tǒng)在dq 坐標(biāo)下電壓電流方程為

式中：ud，uq，id，iq為光伏逆變器輸出電壓和電感電流的直流分量；uod，uoq，iod，ioq為電容電壓和負(fù)載電流的直流分量；ω0為電壓角頻率。

將式（3）變換為矩陣形式，則光伏逆變器在dq坐標(biāo)系下的輸出電壓電流特征方程為

由此可知，系統(tǒng)ud，uq與id，iq間相互交叉耦合，采用傳統(tǒng)的PI 調(diào)節(jié)器控制時(shí)，其控制參數(shù)整定困難，難以實(shí)現(xiàn)交叉耦合的精確解耦，且控制參數(shù)受外部干擾影響較大，控制范圍有限。因此需采用有效的解耦算法簡(jiǎn)化系統(tǒng)狀態(tài)空間模型。

2.2 精確線性化解耦

為提高系統(tǒng)解耦精度，本文采用狀態(tài)反饋精確線性化方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行解耦。取狀態(tài)變量x= ［idiq］T，輸入變量u= ［uduq］T，輸出變量y= ［h1（x） h2（x）］T。其中h1（x）=id，h2（x）=iq。得2 輸入2 輸出非線性系統(tǒng)狀態(tài)方程為

對(duì)于該系統(tǒng)，其全狀態(tài)反饋線性化問題可解的條件是系統(tǒng)有相對(duì)階ρ1，ρ2，且相對(duì)階滿足ρ1+ρ2=n，n 為系統(tǒng)狀態(tài)變量維數(shù)。根據(jù)相對(duì)階定義，在狀態(tài)變量x 的任意一點(diǎn)x0處有：

由式（7）可知系統(tǒng)的相對(duì)階滿足：ρ1=ρ2=1；ρ1+ρ2=n=2。此時(shí)系統(tǒng)滿足精確線性化的條件，可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確線性化解耦。

構(gòu)造新的系統(tǒng)輸入變量v，則存在矩陣A（x）、b（x），使得輸入變量v 滿足：

式中b（x），A（x）分別為

可得新的輸入變量與輸出變量關(guān)系：

此時(shí)系統(tǒng)解耦為一階線性系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榈湫偷母櫹到y(tǒng)。其控制目標(biāo)為系統(tǒng)輸出id、iq分別跟蹤其給定值但由于狀態(tài)反饋精確線性化對(duì)系統(tǒng)模型精度要求很高，參數(shù)攝動(dòng)時(shí)系統(tǒng)魯棒性有所降低。為增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性，在原有解耦系統(tǒng)中引入滑?？刂疲╯liding，mode control，SMC）。

3 逆變器輸出滑?？刂破髟O(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，逆變器輸出采用電壓電流雙閉環(huán)控制，確保輸出電壓和頻率穩(wěn)定。系統(tǒng)電壓外環(huán)用于確定電流內(nèi)環(huán)指令的參考值并穩(wěn)定逆變器的交流側(cè)電壓幅值；電流內(nèi)環(huán)根據(jù)電壓外環(huán)給定的指令電流參考值對(duì)輸出電流進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電流快速跟蹤。電壓外環(huán)控制器采用PI控制，首先采集逆變器輸出電壓，經(jīng)dq 變換后與參考值比較，經(jīng)PI 調(diào)節(jié)并加入電容電流解耦環(huán)節(jié)得到電流內(nèi)環(huán)給定值電流內(nèi)環(huán)控制器采用滑?？刂埔缘钟鶇?shù)攝動(dòng)和外部擾動(dòng)對(duì)反饋線性化模型的影響，提高系統(tǒng)魯棒性?；？刂破髟O(shè)計(jì)如下：

定義系統(tǒng)跟蹤誤差：

由于滑?？刂破骺刂菩Чc其滑模面的選取有關(guān)，而采用傳統(tǒng)的線性滑模面時(shí)存在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，此時(shí)容易發(fā)生抖振。為消除抖振對(duì)控制器的影響，選用非線性積分滑模面：

同時(shí)為增強(qiáng)控制系統(tǒng)魯棒性，消除到達(dá)過程，引入函數(shù)f（t）構(gòu)成全程積分滑模面，使得系統(tǒng)初始狀態(tài)處于滑模面上。系統(tǒng)全程積分滑模面為

式中：fi（t）=ei（0）ei-pt，p>0；ci1，ci2為積分滑模面控制系數(shù)。

根據(jù)滑模趨近原理，為減弱系統(tǒng)抖振，取滑?？刂坡蕿?/p>

式中：sat（s）為飽和函數(shù)；ki和εi為趨近律系數(shù)且ki>0，εi>0；存在邊界層Δ 使得sat（s）滿足：

對(duì)式（14）求導(dǎo)可得：

聯(lián)立式（12）、式（15）、式（17）可得：

帶入系統(tǒng)變量，有：

代入式（11），得系統(tǒng)狀態(tài)反饋線性化之后的輸出控制量為

結(jié)合式（12）、式（20）可得系統(tǒng)輸出電壓控制的總體控制框圖如圖5 所示。

4 仿真驗(yàn)證

圖5 系統(tǒng)輸出電壓控制框圖Fig.5 Control diagram of system output voltage

為驗(yàn)證本文所提出控制策略的有效性，建立了光伏電池、Boost 電路與MPPT 控制器、蓄電池儲(chǔ)能以及光伏逆變器仿真模型。根據(jù)搭建的仿真模型，設(shè)置環(huán)境溫度為25 ℃，光照輻射強(qiáng)度變化如表1 所示。光伏電池輸出電流及功率波形如圖6 所示，Boost 變流器輸出功率及電壓波形如圖7 所示。

表1 光照輻射強(qiáng)度參數(shù)Tab.1 Parameters of light radiation intensity

圖7 Boost 輸出電壓波形Fig.7 Boost converter output voltage waveform

由圖6、圖7 可知，當(dāng)環(huán)境溫度保持不變、而光照輻射強(qiáng)度變化時(shí)，PV 輸出功率波動(dòng)較大，符合光伏電池的輸出特性。而隨著光照輻射強(qiáng)度增加，PV的輸出功率跟隨增加光照輻射強(qiáng)度。Boost 變流器輸出電壓均跟隨PV 輸出功率變化。

將多組PV 串并聯(lián)構(gòu)成光伏發(fā)電陣列，并聯(lián)儲(chǔ)能裝置后輸入光伏逆變器。圖8 為采用混合儲(chǔ)能補(bǔ)償后光伏微源直流鏈電壓，光照條件變化情況下，直流鏈電壓幅值波動(dòng)較小，輸出電壓穩(wěn)定。

圖8 逆變器輸入側(cè)電壓波形Fig.8 Inverter input power waveform

圖9 為光伏逆變器的三相輸出線電壓、線電流的有效值波形。給定三相負(fù)載在4 s、6 s 時(shí)突變?cè)龃螅? s、8 s、10 s 時(shí)突變減小。由圖可見，負(fù)載發(fā)生變化后，系統(tǒng)線電壓在出現(xiàn)較小波動(dòng)之后迅速調(diào)整以保持線電壓的穩(wěn)定，輸出電流跟隨負(fù)載變化發(fā)生改變。

圖9 線電壓、線電流有效值波形Fig.9 RMS waveform of line voltage and line current

圖10 為6 s 時(shí)負(fù)載從28 Ω 變化至20 Ω 時(shí)系統(tǒng)線電壓、線電流波形。6 s 時(shí)，負(fù)載增大，系統(tǒng)線電壓減小，一個(gè)工頻周期后電壓恢復(fù)。系統(tǒng)線電流在負(fù)載變化時(shí)發(fā)生突變，電流增大。

圖10 系統(tǒng)輸出電壓電流波形Fig.10 System output voltage and current waveform

圖11 為光伏逆變器的輸出頻率波形。在負(fù)載突變情況下，輸出頻率偏差始終保持在±0.2 Hz 以內(nèi)，滿足負(fù)載需求。

圖11 系統(tǒng)頻率波形Fig.11 System frequency waveform

5 結(jié)語

本文提出了一種基于滑?？刂频墓聧u運(yùn)行光伏逆變器電壓電流雙閉環(huán)控制策略，并通過仿真對(duì)所提出控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。得出以下結(jié)論，光伏電池采用MPPT 控制時(shí)，本文提出的超級(jí)電容和蓄電池混合儲(chǔ)能裝置控制策略可有效抑制光伏微源輸出功率隨機(jī)性引起的逆變器輸入側(cè)直流母線電壓波動(dòng)；逆變器采用基于滑?？刂破鞯碾妷弘娏麟p閉環(huán)控制可確保在負(fù)載波動(dòng)條件下系統(tǒng)輸出電壓和頻率的穩(wěn)定。

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