光伏并網(wǎng)逆變器滑模變結(jié)構(gòu)控制研究綜述

胡海林，李文，豐富

(1.江西理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，江西 贛州 341000； 2. 國防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院，長沙 410005)

0 引 言

經(jīng)歷了60余年的發(fā)展，對滑模變結(jié)構(gòu)控制的研究已成為一個相對獨(dú)立的控制理論研究分支，成為自動控制系統(tǒng)中控制器的一般設(shè)計方法。滑模變結(jié)構(gòu)控制理論的發(fā)展大致經(jīng)歷了3個階段：(1)以單輸入單輸出線性系統(tǒng)為研究對象，以輸出量誤差及其導(dǎo)數(shù)為狀態(tài)變量；(2)研究對象為多輸入多輸出系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)；(3)研究對象主要為復(fù)雜系統(tǒng)，包括滯后系統(tǒng)、離散系統(tǒng)、分布參數(shù)系統(tǒng)、非線性大系統(tǒng)等，同時將自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制及遺傳算法等先進(jìn)控制方法與滑模變結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合[1]。

通過設(shè)計適當(dāng)?shù)幕Ｃ?，滑模變結(jié)構(gòu)控制可以獲得理想的滑動模態(tài)、良好的動態(tài)品質(zhì)及較高的魯棒性。同時為了反應(yīng)出系統(tǒng)從任一點(diǎn)出發(fā)是如何到達(dá)滑模面的，又提出了各種滑動模態(tài)趨近率，可以通過選擇不同的趨近率函數(shù)，從而獲得到希望的動態(tài)品質(zhì)特性。在滑模變結(jié)構(gòu)控制實(shí)際應(yīng)用中，由于系統(tǒng)中開關(guān)器件的時間滯后及系統(tǒng)慣性等因素影響，系統(tǒng)狀態(tài)變量在到達(dá)滑模面之后，不是沿著滑模面滑動，而是在滑模面的兩側(cè)做來回的穿越運(yùn)動，即滑模控制的抖振現(xiàn)象。如何減小滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的抖振問題是滑模變結(jié)構(gòu)控制的研究熱點(diǎn)。對于經(jīng)典的滑模變結(jié)構(gòu)控制，需要對不確定參數(shù)和外部干擾確定上下界，而實(shí)際系統(tǒng)中上下界的確定是相對困難，為此提出智能控制與滑模變結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合的方法，通過智能控制的方法根據(jù)系統(tǒng)不確定參數(shù)和外部干擾對滑模變結(jié)構(gòu)控制律進(jìn)行實(shí)時的調(diào)整，從而減小滑模變結(jié)構(gòu)控制的抖振。在系統(tǒng)到達(dá)滑模面后，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性，但在系統(tǒng)到達(dá)滑模面的過程中，系統(tǒng)參數(shù)變化和外部干擾影響系統(tǒng)到達(dá)滑模面的過程的動態(tài)性能，因此設(shè)計一種全局滑模變結(jié)構(gòu)控制器是滑模變結(jié)構(gòu)控制研究的一個熱點(diǎn)問題。除此以外離散滑模變結(jié)構(gòu)、終端滑模變結(jié)構(gòu)、高階滑模變結(jié)構(gòu)等新型滑模變結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展也為滑模變結(jié)構(gòu)理論的應(yīng)用注入了新的活力[1-2]。

光伏并網(wǎng)逆變器本身是周期性變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，滑模變結(jié)構(gòu)控制策略適用于光伏并網(wǎng)逆變器的控制。對于光伏并網(wǎng)逆變器，設(shè)計一個合適的滑模面，當(dāng)逆變器狀態(tài)變量進(jìn)入滑模態(tài)后，逆變器對負(fù)載變化、輸入電壓變化、電網(wǎng)諧波的影響以及逆變器自身參數(shù)的變化所引起的擾動具有較強(qiáng)的魯棒性。當(dāng)并網(wǎng)逆變器受到較大的擾動時，逆變器的狀態(tài)變量軌跡將離開所設(shè)計滑模面，此時由于滑模變結(jié)構(gòu)控制的存在，狀態(tài)變量能夠很快的回到滑模面，并迅速滑動到平衡點(diǎn)，從而使得逆變器獲得快速動態(tài)響應(yīng)。與經(jīng)典控制方案脈沖寬度調(diào)制((Pulse Width Modulation, PWM)相比，滑模變結(jié)構(gòu)控制的主要優(yōu)點(diǎn)是有很強(qiáng)的魯棒性，這使其在光伏并網(wǎng)逆變器具有跟蹤速度快、精度高、超調(diào)量小、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

光伏并網(wǎng)逆變器工作模式可以分為離網(wǎng)工作模式和并網(wǎng)工作模式，并網(wǎng)運(yùn)行時，逆變器需要控制輸出的并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，即需要控制功率的輸出以保證光伏微電網(wǎng)內(nèi)部功率的平衡，同時保證在復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境中，光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電能質(zhì)量能達(dá)到并網(wǎng)運(yùn)行的各種要求。在離網(wǎng)運(yùn)行時，光伏并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)斷開，此時逆變器相當(dāng)于一個電壓源，逆變器根據(jù)設(shè)定的參考值來調(diào)節(jié)控制輸出的電壓幅值及頻率以符合負(fù)荷的需求，從而保證重要負(fù)荷的不間斷地供電[3]。

1 光伏并網(wǎng)逆變器的滑模變結(jié)構(gòu)控制策略

典型的兩級分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由輸入側(cè)變換器、并網(wǎng)逆變器、濾波環(huán)節(jié)、斷路器及接觸器組成。輸入側(cè)變換器利用升壓電路將光伏電池輸出直流電壓提升到并網(wǎng)點(diǎn)電壓要求電壓等級，并實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)功能，并在電網(wǎng)故障時起到保護(hù)輸入側(cè)作用。并網(wǎng)逆變器完成直流母線電壓控制，逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同步控制，電網(wǎng)的電壓和頻率監(jiān)測，有功無功功率控制，電能質(zhì)量控制及孤島檢測等功能。

圖1 兩級光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of two levels photovoltaic grid-connected inverter system

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)判斷是否為孤島效應(yīng)，通過控制接觸器通斷使得并網(wǎng)逆變器工作于并網(wǎng)模式或離網(wǎng)模式下。在離網(wǎng)工作模式下，滑模變結(jié)構(gòu)控制器控制輸出電壓幅值和頻率，以滿負(fù)荷的不間斷供電。在并網(wǎng)工作模式下，并網(wǎng)逆變器滑模變結(jié)構(gòu)控制可分為電流型滑模變結(jié)構(gòu)控制和直接功率滑模變結(jié)構(gòu)控制。電流型滑模變結(jié)構(gòu)控制，通過采樣并網(wǎng)電流，對并網(wǎng)電流進(jìn)行反饋控制，直接控制輸出電流的幅值和相位，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流的正弦化及獲得較好的動態(tài)性能，并能降低輸出電流對參數(shù)變化的敏感度，增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性。電流滑模變結(jié)構(gòu)控制是通過控制有功、無功電流分量從而實(shí)現(xiàn)對有功、無功功率的間接控制。為獲得功率的快速響應(yīng)，采用直接功率滑模變結(jié)構(gòu)控制。直接功率控制無需將功率變量變換成相應(yīng)的電流變量來進(jìn)行控制，而將逆變器輸出的瞬時有功和無功功率作為被控對象進(jìn)行滑模變結(jié)構(gòu)控制?；镜目刂扑悸罚簩δ孀兤鬏敵龅挠泄β屎蜔o功功率進(jìn)行檢測及運(yùn)算，再將其檢測值與參考值的偏差送入滑模變結(jié)構(gòu)控制器，根據(jù)控制器的輸出確定功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)，以達(dá)到直接控制功率的目的。

2 光伏并網(wǎng)逆變器滑模變結(jié)構(gòu)控制器

2.1 光伏逆變器離網(wǎng)工作模式下的滑模變結(jié)構(gòu)控制

光伏并網(wǎng)逆變器的離網(wǎng)工作模式與普通逆變器工作模式一致，一般選取輸出電壓實(shí)際值與參考值的差值設(shè)計滑模面，通過滑模變結(jié)構(gòu)控制器直接控制輸出電壓幅值和頻率，使得逆變器輸出滿足系統(tǒng)要求。文獻(xiàn)[4]首先在單向逆變器中應(yīng)用了滑模變結(jié)構(gòu)控制，介紹了如何進(jìn)行滑模面函數(shù)的選取和控制器的設(shè)計。文獻(xiàn)[5]中，采用電壓環(huán)和電流環(huán)構(gòu)成雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，并對電壓環(huán)和電流環(huán)分別設(shè)計滑模變結(jié)構(gòu)控制電路，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明滑模變結(jié)構(gòu)控制策略在非線性負(fù)載情況下輸出波形畸變小。文獻(xiàn)[6]為了削弱三相逆變器因開關(guān)死區(qū)、開關(guān)導(dǎo)通關(guān)斷延遲等對并網(wǎng)電流的影響，在分析死區(qū)效應(yīng)產(chǎn)生的平均誤差電壓的基礎(chǔ)上，改變傳統(tǒng)固定死區(qū)時間的設(shè)定方法，而根據(jù)電流幅值自適應(yīng)調(diào)整死區(qū)時間，建立了逆變器的死區(qū)補(bǔ)償模型。在不需要進(jìn)行電流極性檢測基礎(chǔ)上，提出了基于指數(shù)趨近律來設(shè)計電流滑?？刂破鞯姆椒?，并利用反正切函數(shù)替代符號函數(shù)抑制了滑?？刂扑逃械亩墩瘳F(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了死區(qū)補(bǔ)償和逆變器的魯棒控制。文獻(xiàn)[7-8]介紹了滑模變結(jié)構(gòu)控制策略在逆變器并聯(lián)中的應(yīng)用，利用滑模變結(jié)構(gòu)控制具有的對系統(tǒng)參數(shù)變化引起的擾動有較強(qiáng)的魯棒性特性，保證各個逆變器模塊之間的電流平衡。文獻(xiàn)[9-11]采用積分滑?？刂破?，使得控制器對電機(jī)參數(shù)變化有很強(qiáng)的魯棒性，并達(dá)到減小穩(wěn)態(tài)誤差目的。文獻(xiàn)[12]在單向全橋逆變器中，采用自適應(yīng)滑模變結(jié)構(gòu)控制器，有效的控制總的諧波比，同時在負(fù)載變化時達(dá)到較好的控制效果。文獻(xiàn)[13-15]通過優(yōu)化離散滑模面函數(shù)，及前饋控制和自適應(yīng)控制的引入，設(shè)計離散滑模變結(jié)構(gòu)控制器，使系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。文獻(xiàn)[16-17]介紹了基于離散指數(shù)趨近率的滑模變結(jié)構(gòu)控制在逆變器中的應(yīng)用，并給出了系統(tǒng)中離散滑模面的選取范圍。文獻(xiàn)[18-19]介紹了一種改進(jìn)型離散積分滑模變結(jié)構(gòu)控制器，給出了離散滑模面系數(shù)和積分系數(shù)的選取方法，系統(tǒng)不僅具有較好的波形跟蹤特性還具有較強(qiáng)的魯棒性。

2.2 單相光伏并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)工作模式下滑模變結(jié)構(gòu)控制

對于單相光伏并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)工作模式，選取輸出電流參考值和實(shí)際值的差值設(shè)計滑模面，通過滑模變結(jié)構(gòu)控制輸出電流幅值和相位滿足系統(tǒng)要求。為減小滑模變結(jié)構(gòu)抖振問題，采用自適應(yīng)算法在線調(diào)整系統(tǒng)切換相增益，以減小系統(tǒng)抖振。文獻(xiàn)[20]選取單相全橋逆變器輸出電感上的電流作為控制對象，通過采用時變的滑模面函數(shù)實(shí)時跟蹤光伏陣列輸出功率及輸出電流，使得控制器對系統(tǒng)參數(shù)變化有很強(qiáng)的魯棒性。文獻(xiàn)[21]針對含變壓器的兩級單相全橋并網(wǎng)逆變器，由最大功率跟蹤得到輸出電流參考值，根據(jù)輸出電流與參考電流差值設(shè)計滑模面，設(shè)計滑模變結(jié)構(gòu)控制器，實(shí)現(xiàn)對輸出功率的間接控制。文獻(xiàn)[22]對于單相全橋逆變器，根據(jù)瞬時功率平衡建立數(shù)學(xué)模型，采用電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)控制。應(yīng)用傳統(tǒng)的線性控制器設(shè)計電壓環(huán)，采用滑模變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計電流環(huán)，有效的控制總的諧波比，同時在負(fù)載變化時達(dá)到較好的控制效果。文獻(xiàn)[23]提出了一種基于LCL型并網(wǎng)逆變器的新型復(fù)合電流控制技術(shù)。文中詳細(xì)分析了LCL濾波器的特點(diǎn),其在諧振頻率處存在諧振尖峰,通過在電流環(huán)中增加陷波器的方法實(shí)現(xiàn)了LCL濾波器的有源阻尼,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時又不需要額外增加傳感器;并網(wǎng)電流調(diào)節(jié)器將重復(fù)控制(Repetitive Control, RC)和準(zhǔn)比例諧振控制(Quasi Proportional Resonance, QPR)有機(jī)結(jié)合,提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度,且降低本地非線性負(fù)載擾動和電網(wǎng)電壓頻率波動對并網(wǎng)電流質(zhì)量造成的影響,實(shí)現(xiàn)對基頻信號的無靜差跟蹤控制和單位功率因數(shù)并網(wǎng)。

文獻(xiàn)[24]對于帶LCL濾波環(huán)節(jié)的單相全橋光伏并網(wǎng)逆變器，提出采用頻率固定的改進(jìn)滑模變結(jié)構(gòu)控制，由逆變器輸出電流的差值、濾波電容電壓的差值、并網(wǎng)電流差值、并網(wǎng)電流差值積分項(xiàng)及并網(wǎng)流差值的偶次諧波分量構(gòu)成滑模面。采用多個輸出變量構(gòu)建滑模面，利用高氏趨近率得到控制律，有效地控制總的諧波比，并減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。

文獻(xiàn)[25]針對在微網(wǎng)中并聯(lián)逆變器采用自適應(yīng)滑模變結(jié)構(gòu)控制。采用輸出電壓參考值與實(shí)際值的差值及其微分和積分構(gòu)成三階滑模面，并且通過自適應(yīng)算法分別估算逆變器濾波電路參數(shù)以及外部參數(shù)變化的邊界值，從而保證滑模變結(jié)構(gòu)控制在到達(dá)滑模面階段的穩(wěn)定性，同時減小滑模變結(jié)構(gòu)控制的抖振，并通過實(shí)驗(yàn)和仿真驗(yàn)證控制算法的可行性。文獻(xiàn)[26-28]對于并網(wǎng)單相全橋逆變器，根據(jù)輸出電流參考值和實(shí)際值的差值建立滑模面，并采用自適應(yīng)滑模變結(jié)構(gòu)控制，通過自適應(yīng)觀測器觀測參數(shù)變化的上界，在線調(diào)整切換項(xiàng)系數(shù)以減小系統(tǒng)抖振。文獻(xiàn)[29]根據(jù)并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型，為改善光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，提出利用指數(shù)趨近律和平方根趨近律，分別設(shè)計基于單相電流控制環(huán)的光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)。針對所選滑?？刂坡纱嬖诘姆蔷€性可能引起系統(tǒng)抖振的問題，采用單位控制連續(xù)化方法，使改進(jìn)后的控制算法在切換面附近具有高增益特性，使系統(tǒng)具有抵抗干擾和參數(shù)攝動的能力。文獻(xiàn)[28]控制策略存在問題：K值的選取影響系統(tǒng)控制穩(wěn)態(tài)誤差及過渡時間的長短，如果選取不合適可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。在實(shí)際系統(tǒng)中，如果要實(shí)現(xiàn)單項(xiàng)逆變器并網(wǎng)，需要電網(wǎng)電壓和逆變器輸出電流同步，此時需要引入鎖相環(huán)。此部分引入誤差仿真結(jié)果沒有體現(xiàn)。而在比例積分(Proportional-Integral, PI)控制結(jié)果中，需要引入鎖相環(huán)，實(shí)際上PI電流跟蹤結(jié)果中，為實(shí)際并網(wǎng)后電流誤差值，所以仿真中的對比試驗(yàn)是沒有意義的；系統(tǒng)中沒有限幅環(huán)節(jié)，控制量變化太大可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。同時在測試中沒有引入穩(wěn)定性測試環(huán)節(jié)，不能說明系統(tǒng)設(shè)計的合理性；基于電流的滑模變結(jié)構(gòu)控制方法，無法實(shí)現(xiàn)有功、無功功率的獨(dú)立控制。

文獻(xiàn)[30-31]中，對于單相全橋并網(wǎng)逆變器，選取輸出電流為狀態(tài)變量， 采用自適應(yīng)滑模變結(jié)構(gòu)控制設(shè)計控制器，自適應(yīng)滑模并網(wǎng)控制由三部分組成，第一部分為基準(zhǔn)模型；第二部分為抑制控制器設(shè)計，抑制控制器用于控制由參數(shù)變化和外部干擾一起的不可預(yù)測的震動；第三部分為自適應(yīng)觀測器，自適應(yīng)觀測器用于估算電壓邊界，用于較小由于抑制控制器中不恰當(dāng)?shù)墓潭ㄔ鲆嬉鹫饎?。在離網(wǎng)及并網(wǎng)工作模式下，通過對比PI、比例諧振(Proportion Resonant, PR)及自適應(yīng)滑?？刂扑惴ㄔ谥绷麟妷翰▌?，輸出功率動態(tài)響應(yīng)，以及電阻電容(Resistance Capacitance, RC)、電阻電感(Resistance Inductance Capacitance, RL)及非線性負(fù)載情況下的控制效果，驗(yàn)證自適應(yīng)滑?？刂扑惴ㄔ诓㈦x網(wǎng)工作模式下的可行性和優(yōu)越性。文獻(xiàn)中存在主要問題：在算法中引入的自適應(yīng)觀測器，用于估算由于抑制控制器參數(shù)不合理引起的系統(tǒng)抖動。對于PI、PR以及自適應(yīng)滑模變結(jié)構(gòu)控制效果進(jìn)行對比測試，但是對于自適應(yīng)滑模控制的到達(dá)階段的穩(wěn)定性沒有進(jìn)行測試，對于系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時，滑模變結(jié)構(gòu)控制的魯棒性沒有體現(xiàn)；基于電流的滑模變結(jié)構(gòu)控制方法，無法實(shí)現(xiàn)有功和無功功率的解耦控制。

2.3 三相光伏并網(wǎng)逆變器電流滑模變結(jié)構(gòu)控制

典型的三相并網(wǎng)逆變器電流滑模變結(jié)構(gòu)控制框圖如圖2所示，通過最大功率跟蹤計算出有功功率參考值，在根據(jù)功率因數(shù)要求得到相應(yīng)無功功率參考值，從而分別得到dq坐標(biāo)下電流參考值，由電流參考值與電流實(shí)際值的差值設(shè)計滑模面，通過滑模變結(jié)構(gòu)控制得出相應(yīng)電壓控制矢量，最后通過支持向量機(jī)(Support Vector Machine, SVM)調(diào)制控制逆變器開關(guān)器件。

圖2 三相光伏并網(wǎng)逆變器電流滑模變結(jié)構(gòu)控制Fig.2 Block diagram of the current sliding mode controller in the grid-connected power supply mode of three-phase grid-connected inverter

文獻(xiàn)[32]將并網(wǎng)模式下逆變器輸出電流在dq坐標(biāo)分解成有功分量和無功分量，利用滑模變結(jié)構(gòu)控制使電流有功分量跟蹤太陽能光伏板的最大功率跟蹤輸出給定值，從而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，同時控制輸出電流的無功分量等于零，實(shí)現(xiàn)逆變器的單位功率因數(shù)并網(wǎng)運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)表明該方法能實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，快速跟蹤光伏陣列的最大功率，且電流總諧波畸變率(Total Harmonic Distortion, THD)小于5%。文獻(xiàn)[33]針對在多個微逆變器并聯(lián)的智能微網(wǎng)系統(tǒng)中，通過孤島檢測模塊和離并網(wǎng)模式選擇模塊，進(jìn)行并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)工作模式和離網(wǎng)工作模式的切換。在并網(wǎng)工作模式下，選取逆變器輸出電流與給定參考電流的差值及其微分和積分項(xiàng)構(gòu)成三階滑模面。通過滑模存在條件得到滑?？刂坡?，滑?？刂坡捎傻刃Э刂坪瘮?shù)和切換控制函數(shù)組成。并提出采用自適應(yīng)觀測器觀測系統(tǒng)不確定參數(shù)的邊界，并在線調(diào)整系統(tǒng)切換控制函數(shù)的系數(shù)，已達(dá)到減小系統(tǒng)抖振的問題。在離網(wǎng)模式下采用功率下垂控制，虛擬輸出阻抗控制，以及輸出電壓的滑模變結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合，對多臺逆變器的輸出功率平衡進(jìn)行控制，對于輸出電壓的滑模變結(jié)構(gòu)控制方法與并網(wǎng)模式下的電流控制是類似的。在離網(wǎng)和并網(wǎng)兩種工作模式下的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證算法的可行性。文獻(xiàn)通過在滑模面中引入積分項(xiàng)，從而減小了系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)誤差，但是對用于在線調(diào)整符號函數(shù)系統(tǒng)的自適應(yīng)觀測器沒有詳細(xì)說明。文獻(xiàn)[34]針對三相半橋逆變器的電流控制，在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下，分別電流實(shí)際值與參考電流差值設(shè)計滑模面，設(shè)計離散滑模變結(jié)構(gòu)控制律，并引入非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)，補(bǔ)償由于死區(qū)和滯后對系統(tǒng)造成影響。文獻(xiàn)[35]針對帶LCL濾波環(huán)節(jié)的三相半橋光伏并網(wǎng)逆變器，提出在旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)下采用頻率固定的滑模變結(jié)構(gòu)控制，由逆變器輸出電流參考值與實(shí)際值的差值、濾波電容電壓參考值與實(shí)際值的差值、并網(wǎng)電流差值積分項(xiàng)及并網(wǎng)電流差值的偶次諧波分量構(gòu)成滑模面。文獻(xiàn)通過在滑模面中引入并網(wǎng)電流的積分項(xiàng)從而減小并網(wǎng)電流穩(wěn)態(tài)誤差，引入并網(wǎng)電流差值的偶次諧波分量減小并網(wǎng)電流的諧波分量，但是文獻(xiàn)提出的滑模變結(jié)構(gòu)控制的滑模面后，對滑模變結(jié)構(gòu)控制律的求取沒有進(jìn)行說明，若使用原控制律，系統(tǒng)在原點(diǎn)附件鄰域內(nèi)抖動，不能最終到達(dá)原點(diǎn)，存在一定穩(wěn)態(tài)誤差。

文獻(xiàn)[36]中對于帶LCL濾波的三相半橋并網(wǎng)逆變器，由于LCL濾波器的引入可能導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，采用基于虛擬阻抗的主動阻尼滑模變結(jié)構(gòu)控制，解決由于LCL濾波器引入帶來的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，同時能夠完成并網(wǎng)電流的解耦控制。對于兩相電流分別設(shè)計滑模變結(jié)構(gòu)控制器，用于虛擬阻抗控制及輸出電流的控制，對于電壓同樣也采用滑模變結(jié)構(gòu)控制，使得控制器獲得更寬的線性調(diào)節(jié)區(qū)域。此外通過增加卡爾曼濾波器來減小傳感器的數(shù)量，通過引入卡爾曼濾波器減小由于系統(tǒng)噪聲引起的測量誤差。文獻(xiàn)[37]針對中點(diǎn)鉗位(Neutral Point Clamped, NPC)三電平三相并網(wǎng)逆變器，首先對逆變器輸出功率進(jìn)行dq分解，并分別設(shè)計兩個滑模變結(jié)構(gòu)控制器，由控制器輸出控制矢量，通過支持向量機(jī)SVM調(diào)制直接控制開關(guān)管動作，從而實(shí)現(xiàn)對逆變器有功和無功功率的控制。由參考功率和實(shí)際功率的差值作為滑模面，根據(jù)滑模面存在的條件以及功率波動最小原則，得出滑?？刂坡?，并分析系統(tǒng)RL參數(shù)對滑模變結(jié)構(gòu)控制的影響，以及在參數(shù)變化后，如何選擇重新選擇控制律，最后通過SVM合成控制矢量。文獻(xiàn)通過仿真結(jié)果，驗(yàn)證算法的可行。文獻(xiàn)[38]在T型三電平并網(wǎng)逆變器中，采用滑模變結(jié)構(gòu)控制，對于靜止的ab坐標(biāo)分別設(shè)計滑?？刂破?，計算出相應(yīng)的ab坐標(biāo)電流，再經(jīng)過矢量控制器輸出對應(yīng)開關(guān)管的動作時間，從而實(shí)現(xiàn)對于輸出電流及電容電壓的控制。對于滑模面的設(shè)計引入積分環(huán)節(jié)，已減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。文獻(xiàn)[39]對由兩個獨(dú)立的三相半橋逆變器串聯(lián)組成的多電平逆變器建立數(shù)學(xué)模型，采用滑模變結(jié)構(gòu)控制注入電網(wǎng)有功和無功功率。

為了解決并網(wǎng)逆變器地電流的問題，往往在并網(wǎng)逆變器輸出加上變壓器與電網(wǎng)進(jìn)行電氣隔離。增加隔離變壓器后，整個光伏逆變器的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，不利用滑模變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計。為簡化控制算法，文獻(xiàn)[40]對帶有LC濾波環(huán)節(jié)和隔離變壓器的并網(wǎng)逆變器進(jìn)行降階建模，在降階建模的過程中利用到電流加權(quán)反饋的方法，并對降階模型在系統(tǒng)參數(shù)變化時的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，最后在降階模型的基礎(chǔ)上設(shè)計滑模變結(jié)構(gòu)控制器。

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，只對并網(wǎng)電流進(jìn)行閉環(huán)控制時，并網(wǎng)電流的諧波分量較大，逆變器輸出電能質(zhì)量較差。在降階模型基礎(chǔ)上，分別對并網(wǎng)電流的dq坐標(biāo)下的有功分量和無功分量設(shè)計PI控制器或滑模變結(jié)構(gòu)控制器，都能實(shí)現(xiàn)對并網(wǎng)輸出功率的準(zhǔn)確跟蹤。在采用滑模變結(jié)構(gòu)控制策略時，系統(tǒng)具有很好的靜動態(tài)調(diào)節(jié)能力，輸出電流諧波分量小，其諧波分量最大值不超過2%，從而驗(yàn)證了在降階模型基礎(chǔ)上的滑模變結(jié)構(gòu)控制策略的可行性。

文獻(xiàn)[41]在三相半橋并網(wǎng)逆變器中，對兩相輸出電流設(shè)計滑模面，通過滑模變結(jié)構(gòu)控制完成對輸出電流的控制。對逆變器中點(diǎn)電壓設(shè)計滑模面，利用滑模變結(jié)構(gòu)控制對逆變器注入三次諧波分量，已提高直流電壓利用率。并引入卡爾曼濾波器以減小輸出電流諧波分量并提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.4 直接功率滑模變結(jié)構(gòu)控制

典型的三相并網(wǎng)逆變器直接功率滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)框圖如圖3所示，通過檢測輸出電壓和電流計算出系統(tǒng)輸出有功功率和無功功率實(shí)際值，由有功功率、無功功率實(shí)際值與參考值的差值設(shè)計滑模面，通過滑模變結(jié)構(gòu)控制器輸出電壓矢量，并由SVM調(diào)制控制逆變器開關(guān)器件動作。

圖3 三相并網(wǎng)逆變器直接功率滑模變結(jié)構(gòu)控制Fig.3 Block diagram of the direct power sliding mode controller in the grid-connected power supply mode of three-phase grid-connected inverter

文獻(xiàn)[42]對于三相半橋并網(wǎng)逆變器，采用離散滑模直接功率控制，分別對于有功功率和無功功率設(shè)計離散滑模控制器，并采用空間矢量調(diào)制。對于系統(tǒng)參數(shù)不確定項(xiàng)使用預(yù)測控制對有功功率和無功功率參考值進(jìn)行修正，有效地抵消系統(tǒng)不確定項(xiàng)的影響。文獻(xiàn)[43]對于三相三電平并網(wǎng)逆變器，采用離散滑模直接功率控制，分別對于有功功率和無功功率設(shè)計離散滑?？刂破?，并采用空間矢量調(diào)制。并根據(jù)有功無功功率誤差最小原則，對控制量進(jìn)行修正。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)表明算法的可行性。文獻(xiàn)[44-46]建立了三相電壓型并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于滑模變結(jié)構(gòu)的三相電壓型并網(wǎng)逆變器直接功率控制策略，詳細(xì)論述了控制策略原理及設(shè)計過程。該控制策略將滑模變結(jié)構(gòu)控制器、直接功率控制和空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，不需要同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換即可實(shí)現(xiàn)恒定的開關(guān)頻率，具有良好的穩(wěn)態(tài)性能和快速的動態(tài)特性。

以上的控制算法沒有考慮在實(shí)際電網(wǎng)環(huán)境下的控制效果，在實(shí)際電網(wǎng)環(huán)境中，電網(wǎng)往往是三相不對稱而且存在一定量的低次諧波，為改善并網(wǎng)逆變器的此時的運(yùn)行性能，文獻(xiàn)[47]提出一種基于靜止坐標(biāo)下的諧振滑模變結(jié)構(gòu)直接功率控制策略。在電網(wǎng)三相不對稱或者電網(wǎng)存在一定諧波分量時，逆變器輸出電流將出現(xiàn)三相不平衡情況或嚴(yán)重的諧波畸變，同時逆變器輸出的有功功率和無功功率也會出現(xiàn)大的波動。將逆變器輸出有功、無功功率的穩(wěn)定或輸出電流正弦化為控制目標(biāo)進(jìn)行滑模變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計，從而改善并網(wǎng)逆變器此時的運(yùn)行性能。文獻(xiàn)提出的直接功率滑模變結(jié)構(gòu)控制策略，無需對電網(wǎng)電壓負(fù)序和諧波分量進(jìn)行提取，也無需引入鎖相環(huán)，簡化控制器的設(shè)計，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文獻(xiàn)提出控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)逆變器有功、無功功率的解藕控制，使得逆變器在三相不對稱及諧波電網(wǎng)下輸出電流的正弦化或有功、無功功率的平穩(wěn)輸出，同時具有良好的動態(tài)性能。文獻(xiàn)中控制算法存在的問題，控制目標(biāo)輸出電流正弦或有功及無功功率平穩(wěn)，不能同時達(dá)到輸出電流正弦和有功無功功率的平穩(wěn)。沒有與現(xiàn)有的線性控制方法進(jìn)行比較，無法充分說明諧振滑?？刂频膬?yōu)越性。

3 分析討論

光伏并網(wǎng)逆變器的滑?？刂圃O(shè)計思路：根據(jù)并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型或者簡化模型，設(shè)計基于電壓、電流或功率的滑模面函數(shù)，利用滑模面存在到達(dá)條件或趨近率設(shè)計控制律，設(shè)計基于滑模變結(jié)構(gòu)的電流環(huán)或者功率環(huán)的光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)，并推導(dǎo)出滑模面存在性以及利用李亞普諾夫定理證明了系統(tǒng)穩(wěn)定性。針對所選滑?？刂坡纱嬖诘姆蔷€性而引起系統(tǒng)抖振的問題，采用各種改進(jìn)的滑模變結(jié)構(gòu)控制算法使得在系統(tǒng)切換面附近具有高增益特性，從而使系統(tǒng)獲得較好的魯棒性?？紤]系統(tǒng)在到達(dá)滑模面過程中的穩(wěn)定性問題，采用改進(jìn)滑模面或者采用智能控制算法與滑模變結(jié)構(gòu)控制算法結(jié)合的方法設(shè)計全局滑模變結(jié)構(gòu)控制。

光伏并網(wǎng)逆變器滑模變結(jié)構(gòu)控制，在離網(wǎng)工作模式通常根據(jù)輸出電壓設(shè)計滑模面，完成滑模變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計。對于二電平三相并網(wǎng)逆變器在并網(wǎng)工作模式下通常采用輸出電流設(shè)計滑模面，對于多電平三相并網(wǎng)逆變器通常采用輸出電流及中點(diǎn)電壓相結(jié)合的方法設(shè)計滑模面，或者根據(jù)輸出功率來設(shè)計滑模面，通過采用不同的趨近律進(jìn)而完成對滑模變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計。為了減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差及提高系統(tǒng)動態(tài)性能，通常采用高階滑模面，或者采用多個輸出變量相結(jié)合的方法設(shè)計滑模面。對于系統(tǒng)在到達(dá)滑模面過程中的穩(wěn)定性問題，通常通過改進(jìn)滑模面的方法或者采用智能控制算法與滑模變結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合設(shè)計全程滑模變結(jié)構(gòu)控制。為補(bǔ)償由于系統(tǒng)延時及其他不確定因素，通常對系統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)控制器進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)目前滑模控制的發(fā)展?fàn)顩r，對光伏并網(wǎng)逆變器滑模變結(jié)構(gòu)控制的未來發(fā)展方向進(jìn)行以下預(yù)測:

(1)現(xiàn)有滑模變結(jié)構(gòu)控制器多為二階滑模變結(jié)構(gòu)控制器，由于控制器只含比例環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差較大，而改進(jìn)的積分滑模變結(jié)構(gòu)控制，其控制器仍然為二階控制器，雖然系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差有所減小，但是以犧牲一定的動態(tài)響應(yīng)為代價。所以針對光伏并網(wǎng)逆變器的高階滑模變結(jié)構(gòu)控制器的研究和應(yīng)用是一個值得研究的方向；

(2)采用智能控制算法(模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等)與滑模變結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合，以減小系統(tǒng)抖振。通過智能控制算法的引入，實(shí)時在線調(diào)整滑?？刂浦星袚Q項(xiàng)的增益，最大限度地降低切換項(xiàng)的增益，從而有效地減小滑?？刂葡到y(tǒng)的抖振；

(3)在系統(tǒng)到達(dá)滑模面過程中，系統(tǒng)易受到參數(shù)變化和外部干擾影響，如何設(shè)計全程的滑模變結(jié)構(gòu)控制器也是未來研究的熱點(diǎn)方向；

(4)對于不滿足匹配條件的不確定因素，無法確定邊界，此時滑?？刂频娜绾卧O(shè)計需要進(jìn)一步研究。對于系統(tǒng)控制延時及開關(guān)死區(qū)時間對逆變器并網(wǎng)電流產(chǎn)生影響，如何對滑模變結(jié)構(gòu)控制進(jìn)行補(bǔ)償也是一個需要進(jìn)一步研究的方向；

(5)針對光伏并網(wǎng)逆變器運(yùn)行過程中，離網(wǎng)運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行時各種異常情況，比如非線性負(fù)載情況、多逆變器并聯(lián)、電網(wǎng)三相不對稱情況、電網(wǎng)諧波分量較大情況以及多個逆變器并聯(lián)時，滑模變結(jié)構(gòu)控制算法的應(yīng)用也是值得研究的方向。

4 結(jié)束語

近年來，隨著分布式發(fā)電技術(shù)研究的逐漸深入，并網(wǎng)逆變器作為系統(tǒng)中關(guān)鍵部件之一得到了廣泛關(guān)注，而針對逆變器控制算法的研究又是逆變器研究的重點(diǎn)。文章針對光伏并網(wǎng)逆變器的滑模變結(jié)構(gòu)控制方法進(jìn)行綜述，并對并網(wǎng)逆變器的常用滑模變結(jié)構(gòu)控制方法進(jìn)行分類和總結(jié)，最后對光伏并網(wǎng)逆變器的滑模變結(jié)構(gòu)控制方法未來可能的研究和發(fā)展方向做出一些探討。