汪小平，吳靜妹

（安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山 243002）

光伏并網(wǎng)逆變器滑?？刂撇呗匝芯?/p>

汪小平，吳靜妹

（安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山 243002）

傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)控制多采用PI電流環(huán)控制方式，此方式存在控制精度低、對系統(tǒng)參數(shù)擾動(dòng)的魯棒性不強(qiáng)，快速性、強(qiáng)抗干擾負(fù)荷的能力有限等弊端。為了提高光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，根據(jù)并網(wǎng)逆變器的非線性數(shù)學(xué)模型，提出了采用改進(jìn)指數(shù)滑模變結(jié)構(gòu)控制，對光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。理論推導(dǎo)了滑模變結(jié)構(gòu)控制在并網(wǎng)逆變器應(yīng)用的滑模面的存在性及系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過仿真與傳統(tǒng)的PI控制系統(tǒng)進(jìn)行了比較，對并網(wǎng)輸出電流諧波分析，證明了所提出的控制策略是正確的，系統(tǒng)具有良好的控制精度和跟蹤性能。

光伏并網(wǎng)逆變器控制；PI控制；滑模變結(jié)構(gòu)控制

光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置是將光伏陣列輸出的直流電能轉(zhuǎn)化為正弦交流電，然后向電網(wǎng)供電的一個(gè)裝置，實(shí)際上是一個(gè)有源逆變系統(tǒng)。并網(wǎng)逆變器作為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)接口的關(guān)鍵設(shè)備[1]。其控制方法的選擇，對提高光伏發(fā)電效率，降低成本具有重要的意義。采用開環(huán)控制，其控制精度往往不能滿足系統(tǒng)的要求。采用電壓和電流雙閉環(huán)控制[2-4]，其控制系統(tǒng)相對復(fù)雜、造價(jià)高。采用PI控制器來實(shí)現(xiàn)電流環(huán)控制[5-6]，因?yàn)樾枰译娏鞲?、控制效果也不理想。滑?？刂?SMC：sliding mode control)具有快速響應(yīng)、對參數(shù)變化及擾動(dòng)不靈敏、無需系統(tǒng)在線辯識(shí)，物理實(shí)現(xiàn)簡單等優(yōu)點(diǎn)[7-9]，越來越在現(xiàn)代控制中得到更多的關(guān)注。本文將SMC理論用于光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)中，理論推導(dǎo)了滑模變結(jié)構(gòu)控制在并網(wǎng)逆變器應(yīng)用的滑模面的存在性及系統(tǒng)穩(wěn)定性。并且與傳統(tǒng)的PI控制加電壓補(bǔ)償控制策略做了比較研究。

1 光伏并網(wǎng)逆變器

單相光伏并網(wǎng)逆變電路多采用全橋逆變電路，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全橋式逆變電路

udc為PV陣列經(jīng)過Boost升壓及控制后的穩(wěn)定電壓；uab為逆變器輸出的電壓；unet為電網(wǎng)電壓；inet為并網(wǎng)電流；RL為線路的等效電阻，一般很??；L為濾波電感，除用于濾除高次諧波外，還兼有平衡逆變器和電網(wǎng)之間電壓差的作用，圖中各變量之間的關(guān)系為：

光伏并網(wǎng)運(yùn)行，內(nèi)環(huán)要求快速跟隨參考電流的瞬態(tài)變化，是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。本文采用SPWM電流跟蹤方式。控制框圖如圖2所示。

圖2 S P W M方式電流跟蹤控制框圖

其控制過程是：參考電流i*net與電網(wǎng)同頻同相位，其給定值與實(shí)際的并網(wǎng)電流反饋值進(jìn)行比較，差值通過控制調(diào)節(jié)器處理后，輸出經(jīng)三角波調(diào)制，輸出正弦波脈寬調(diào)制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大，驅(qū)動(dòng)功率電子開關(guān)器件工作，產(chǎn)生與電網(wǎng)同頻同相位的正弦波電流[10]。其中控制方式可以為PI或SMC等。

2 電流環(huán)滑?？刂圃O(shè)計(jì)

圖1中uab是在SPWM方式控制下的輸出交流脈沖波電壓。定義開關(guān)函數(shù)sk為：sk與橋臂間電壓的關(guān)系如表1所示。

?

由表1可得：uab=(s1－s2)udc，同理可得

根據(jù)基爾霍夫電壓電流定律可得：

令u(t)=s1－s2，以u(píng)dc，inet為狀態(tài)變量，建立系統(tǒng)狀態(tài)空間方程為：

取滑模切面為P-I形式：

控制的目標(biāo)：使得并網(wǎng)電流跟蹤參考電流，即x1跟蹤上x1*。由式（5）可得：

式中：un(t)為非線性開關(guān)函數(shù)輸入。在滑?？刂葡到y(tǒng)中，由于時(shí)間和空間滯后開關(guān)、系統(tǒng)慣性等影響會(huì)產(chǎn)生“抖振”。抖振一方面增加了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)損耗，另一方面有可能引起共振，降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。為了削減抖振的強(qiáng)度，取un(t)為改進(jìn)型指數(shù)形式：

由式（4）和（6）可得：

滿足滑動(dòng)模態(tài)存在性及系統(tǒng)穩(wěn)定條件。

3 仿真與分析

由控制原理，在Simulink中對并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。取 udc=400 V，RL=0.01Ω，參考電流為 10 A，

當(dāng)L=7mH時(shí)，參考電流及SMC滑模面的輸出如圖3所示，各控制下并網(wǎng)電流輸出波形及諧波分析如圖4、圖5所示。

當(dāng)L=5mH，L=3.5mH時(shí)，SMC并網(wǎng)電流輸出波形如圖6所示。

圖3 參考電流及滑模面輸出

圖4 S MC輸出的并網(wǎng)電流及諧波分析

圖5 PI控制輸出的并網(wǎng)電流及諧波分析

圖6 S MC控制輸出的并網(wǎng)電流

從圖3、圖4、圖5可以看出，PI控制基本上實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)電流的跟蹤功能，但是其單環(huán)控制系統(tǒng)存在著一定的幅值和相位差。此外，輸出并網(wǎng)電流波形不理想，存在紋波，由諧波分析THD=5.11%；與PI控制相比，SMC的控制性能都有很大提升。SMC輸出的并網(wǎng)電流的幅值和相位基本與給定波形吻合。此外，輸出并網(wǎng)電流波形近似光滑曲線，紋波大大減小，由諧波分析THD=0.44%。從圖6可看出，當(dāng)電感發(fā)生變化時(shí)，SMC輸出的并網(wǎng)電流的幅值與相位幾乎沒有發(fā)生變化，只是紋波稍有增加，但是與PI控制輸出相比仍有很大的改善。這證明了SMC理論的優(yōu)越性、正確性。

4 結(jié)論

本文選擇改進(jìn)的指數(shù)滑?？刂坡蓱?yīng)用于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，推導(dǎo)了所選滑?？刂坡傻拇嬖谛约跋到y(tǒng)穩(wěn)定性。通過仿真實(shí)驗(yàn)證明了改進(jìn)的指數(shù)滑?？刂铺岣吡丝刂凭?，改善了系統(tǒng)魯棒性和跟蹤特性，證明了其理論的優(yōu)越性、正確性。

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Photovoltaic grid-connected inverter controlstrategy based on slidingmode

WANG Xiao-ping,WU Jing-mei
(AnhuiUniversity of Technology,Maanshan Anhui243002,China)

Conventional photovoltaic grid-connected control using PI current loop have the shortcomings of low precision,weak robustness to the system parameters perturbation,and limited load capacity to anti-disturbance.In order to improve the dynamic performance of the grid-connected PV inverter control system,according to non-linear mathematical model of grid-connected inverter, the design of grid-connected inverter control system using the improved exponential sliding mode control was proposed.Through theoretical derivation,the existence of the slide surface and system stability was proved, when the sliding mode variable structure control was used in the grid inverter control system.Comparing with the conventional control system through simulating, the grid-connected output current was analyzed. The proposed strategy is feasible with good control precision and tracking characteristic.

grid-connected inverter control;PI control;variable-structure control with sliding mode

TM 464

A

1002-087 X(2013)11-2023-03

2013-04-06

汪小平（1965—），女，安徽省人，副教授，主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)諧波檢測與治理等。