基于定頻PWM滑模的直流微電網(wǎng)控制策略

穆帥飛，茍軍年，楊劍鋒

（蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070）

0 引言

隨著越來(lái)越多的新能源接入大電網(wǎng)，微電網(wǎng)的概念應(yīng)運(yùn)而生。它可以集成不同的分布式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)，應(yīng)用于不同的場(chǎng)景。微電網(wǎng)可分為交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)兩種類(lèi)型。交流微電網(wǎng)已被許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究。近幾年，直流微電網(wǎng)由于具備能量轉(zhuǎn)換效率高，功耗低的特點(diǎn)，也開(kāi)始引起廣泛關(guān)注。在控制方式上，相較于交流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)中只存在有功功率，無(wú)需考慮微電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率、相位、無(wú)功功率等問(wèn)題，不僅降低了微電網(wǎng)的控制復(fù)雜程度，而且提高了供電電能質(zhì)量[1]。

直流微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是系統(tǒng)里面的分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備、負(fù)載等都通過(guò)電力電子變換裝置先連接到直流母線，而直流母線再通過(guò)逆變器與外部大電網(wǎng)相連接，如圖1中的結(jié)構(gòu)。直流微電網(wǎng)可通過(guò)電力電子轉(zhuǎn)換裝置向不同等級(jí)的交、直流負(fù)荷輸送電能，而分布式電源和負(fù)荷的波動(dòng)則可由儲(chǔ)能設(shè)備在直流側(cè)進(jìn)行調(diào)節(jié)[2]。

圖1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

直流微電網(wǎng)有并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行模式。目前國(guó)內(nèi)外已有很多學(xué)者對(duì)微電網(wǎng)的孤島運(yùn)行控制方式展開(kāi)過(guò)研究[3～5]，文獻(xiàn)[3]針對(duì)風(fēng)儲(chǔ)直流微電網(wǎng)采用粒子群算法減小直流母線電壓的波動(dòng)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。文獻(xiàn)[4]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與下垂控制相結(jié)合，能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)功率分配，同時(shí)減少了傳感器設(shè)備數(shù)量降低了系統(tǒng)成本。文獻(xiàn)[5]針對(duì)光伏電池的最大功率跟蹤過(guò)程提出一種非對(duì)稱模糊控制方法，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)采用分段式控制，以應(yīng)對(duì)不同情況下的功率分配問(wèn)題，以上方法有效地解決了電壓波動(dòng)較大的問(wèn)題，但邏輯控制過(guò)程較為復(fù)雜。

基于以上研究現(xiàn)狀，本文針對(duì)含太陽(yáng)能光伏板、負(fù)載和蓄電池的小型微電網(wǎng)系統(tǒng)，提出一種定頻PWM滑模控制策略。孤島運(yùn)行條件下，光伏系統(tǒng)仍然采用最大功率跟蹤法，但與傳統(tǒng)控制方法略有不同，加入閉環(huán)PI控制器，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對(duì)電力電子系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)蓄電池的充放電過(guò)程采用滑?？刂?，為了減小開(kāi)關(guān)頻率對(duì)系統(tǒng)的影響，引入等效控制法，固定開(kāi)關(guān)管的頻率。最后在Matlab中搭建仿真模型，驗(yàn)證所提出控制策略的有效性及可行性。

1 整個(gè)系統(tǒng)的組成

本文所采用的小型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，分布式電源太陽(yáng)能光伏板和蓄電池分別通過(guò)Boost電路和雙向DC-DC變換器匯聚到直流母線處。

圖2 小型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.1 光伏電池的建模

太陽(yáng)能光伏板的輸出功率通常受太陽(yáng)光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的影響較大[6]，如圖3所示是在不同溫度和光照強(qiáng)度的情況下，光伏板的輸出功率曲線圖。為了提高轉(zhuǎn)換效率，確保光伏電池的輸出功率始終最大，對(duì)升壓變換器采用最大功率跟蹤點(diǎn)控制，其控制流程圖如圖4所示。

圖3 不同光照強(qiáng)度和溫度下輸出功率

圖4 最大功率跟蹤點(diǎn)控制流程圖

1.2 蓄電池和雙向DC-DC變換器的建模

蓄電池經(jīng)由雙向DC-DC變換器連接到直流母線，有充電和放電兩種工作狀態(tài)，以電感電流iL和電容電壓Uo為狀態(tài)變量列寫(xiě)狀態(tài)空間方程。其等效電路如圖5所示。

1）Buck工作模式下的電路圖如圖5(a)所示，D1始終處于截止?fàn)顟B(tài)，D2周期性的通斷，當(dāng)D2截止時(shí)電感通過(guò)二極管放電，電感電流下降，蓄電池處于充電狀態(tài)，其狀態(tài)空間方程如下：

圖5 雙向DC-DC變換器等效電路圖

式(1)中iL＜0，m2表示一個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)器件D2的占空比。

2）Boost工作模式下的電路圖如5(b)所示，相反地，D2始終處于截止?fàn)顟B(tài)，D1周期性的通斷。當(dāng)D1導(dǎo)通時(shí)電感電流上升，蓄電池處于放電狀態(tài)，其狀態(tài)空間方程如下：

式(2)中iL＞0，m1表示一個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)器件D1的占空比。

令x1=ib,x2=Uo綜合以上方程可得出雙向DC-DC變換器完整的動(dòng)態(tài)方程如下[7]：

當(dāng)太陽(yáng)能光伏板的輸出功率可以滿足負(fù)載所需功率時(shí)，蓄電池不工作；當(dāng)太陽(yáng)能光伏板的輸出功率大于負(fù)載所需功率時(shí)，蓄電池吸收過(guò)剩功率；反之，蓄電池和太陽(yáng)能光伏板輸出功率共同向負(fù)載供電。在實(shí)際的應(yīng)用之中，光照、溫度以及負(fù)載都是在不斷變化的，為了滿足應(yīng)用需求，必須采用合適的控制策略保證直流母線電壓的穩(wěn)定。

2 滑?？刂?/h2>

2.1 滑模控制原理

滑?？刂剖且环N常見(jiàn)的應(yīng)用于變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的非線性控制方法?；？刂七^(guò)程可以分為兩個(gè)階段[8]：到達(dá)階段和滑動(dòng)階段。在第一階段（到達(dá)階段）不管被控軌跡處于哪一位置，都將受到滑?？刂频淖饔贸O(shè)計(jì)的滑模面移動(dòng)。當(dāng)軌線到達(dá)滑模面之后進(jìn)入第二階段（滑動(dòng)階段），此時(shí)系統(tǒng)將受無(wú)窮大頻率切換函數(shù)的作用，使軌線不離開(kāi)滑模面上。圖6是被控系統(tǒng)在滑?？刂谱饔孟碌脑韴D。

圖6 滑?？刂七^(guò)程

2.2 滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)

DC-DC變換器是在兩個(gè)子電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間不斷切換，具備變結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，所以可直接運(yùn)用變結(jié)構(gòu)的原理對(duì)其進(jìn)行分析和控制[9～11]。

蓄電池在工作時(shí)，有充放電兩種狀態(tài)。當(dāng)蓄電池向負(fù)載供電時(shí)，升壓變換器占空比到輸出電壓的傳遞函數(shù)具有右半平面零點(diǎn)（right half plane zero,RHPZ）的特性，這通常使得受控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)滯后，因此，常常采用定頻PWM滑模電流控制器[12,13]。

滑模電流控制器利用輸出電壓誤差和電感電流誤差作為受控狀態(tài)變量[14]，與常規(guī)的電流控制器一樣，利用放大后的輸出電壓誤差產(chǎn)生瞬時(shí)電流參考值iref：

定義電壓誤差e1，電流誤差e2以及電感電流誤差和輸出電壓誤差的積分e3：

用S表示滑模面，它可以由狀態(tài)變量e1e2e3表示：

式(6)中α1、α2、α3是滑動(dòng)系數(shù)

利用連續(xù)導(dǎo)電模式下雙向DC-DC變換器的狀態(tài)空間方程和式(5)可以得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型為：

由于式(8)和式(9)得到控制器的輸入：

定頻滑模控制器通過(guò)脈沖寬度調(diào)制實(shí)現(xiàn)，令0＜u=m12＜1，則控制信號(hào)Vc和載波信號(hào)幅值Vramp分別為：

3 仿真搭建及分析

為驗(yàn)證所提控制策略可行性和有效性，通過(guò)在MATLAB中搭建如圖7所示等效電路圖，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，仿真時(shí)采用5個(gè)并聯(lián)的光伏電池，一個(gè)額定容量為50Ah的蓄電池。系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示。

圖7 控制策略框圖

系統(tǒng)中的電感電容參數(shù)由以下式子求得：

經(jīng)過(guò)多次反復(fù)試驗(yàn)，取滑模電流控制器的參數(shù)如表2所示。

表2 控制器參數(shù)表

3.1 穩(wěn)態(tài)過(guò)程分析

當(dāng)光照強(qiáng)度為250W/m2，仿真時(shí)間到達(dá)0.5s時(shí)，光伏達(dá)到最大功率266W，蓄電池SOC基本不變，由光伏電池向負(fù)載供電，蓄電池不工作，仿真結(jié)果如圖8(a)～圖8(c)所示；當(dāng)光照強(qiáng)度為500W/m2時(shí)，仿真時(shí)間在0.5s時(shí)，光伏達(dá)到最大功率539W，蓄電池的SOC一直在增加，蓄電池處于充電狀態(tài)，仿真結(jié)果如圖9(a)～圖9(c)所示。

圖8 光照強(qiáng)度為250W/m2的仿真圖

圖9 光照強(qiáng)度為500W/m2的仿真圖

從以上兩個(gè)例子都可以看出mppt算法能夠正常工作，采用定頻PWM滑?？刂破鞯男铍姵厥冀K維持母線電壓在50V。

3.2 瞬態(tài)過(guò)程分析

當(dāng)光照強(qiáng)度從500W/m2增加到1000W/m2時(shí)，母線電壓突然增大，蓄電池必須快速吸收過(guò)剩的功率，以維持直流母線電壓的穩(wěn)定，仿真結(jié)果如圖10所示。當(dāng)光照強(qiáng)度為500W/m2負(fù)載從10Ω突變?yōu)?0Ω時(shí)，母線電壓突然增加，之后恢復(fù)到50V左右，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖10 光照強(qiáng)度突變時(shí)的瞬態(tài)過(guò)程

圖11 負(fù)載突變時(shí)的瞬態(tài)過(guò)程

由以上仿真結(jié)果可以看出：直流微電網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行時(shí)，當(dāng)負(fù)載或光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，采用定頻PWM滑?？刂撇呗远寄軌蚴沟媚妇€電壓快速恢復(fù)到期望值，并保持恒定，與預(yù)期結(jié)果一致。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)含光伏和蓄電池的直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)在孤島運(yùn)行條件下穩(wěn)定性及抗擾性，提出一種定頻PWM滑模電流控制器，具體結(jié)論如下：

1）光伏系統(tǒng)在保持最大功率的同時(shí)，蓄電池通過(guò)充放電維持直流母線電壓的恒定；

2）利用等效控制法，固定開(kāi)關(guān)管的頻率，減小開(kāi)關(guān)損耗，抑制噪聲干擾；

3）滑模電流控制器是雙環(huán)控制，維持直流電壓穩(wěn)定的同時(shí)，可以有效地控制蓄電池的充放電電流，以延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命；

4）針對(duì)負(fù)載和光照強(qiáng)度突變，滑模電流控制器表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性和魯棒性。