穆帥飛，茍軍年，楊劍鋒

（蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院，蘭州 730070）

0 引言

隨著越來越多的新能源接入大電網(wǎng)，微電網(wǎng)的概念應運而生。它可以集成不同的分布式電源和儲能系統(tǒng)，應用于不同的場景。微電網(wǎng)可分為交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)兩種類型。交流微電網(wǎng)已被許多國內(nèi)外學者研究。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，也開始引起廣泛關注。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，無需考慮微電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率、相位、無功功率等問題，不僅降低了微電網(wǎng)的控制復雜程度，而且提高了供電電能質(zhì)量[1]。

直流微電網(wǎng)的結(jié)構特點是系統(tǒng)里面的分布式電源、儲能設備、負載等都通過電力電子變換裝置先連接到直流母線，而直流母線再通過逆變器與外部大電網(wǎng)相連接，如圖1中的結(jié)構。直流微電網(wǎng)可通過電力電子轉(zhuǎn)換裝置向不同等級的交、直流負荷輸送電能，而分布式電源和負荷的波動則可由儲能設備在直流側(cè)進行調(diào)節(jié)[2]。

圖1 直流微電網(wǎng)結(jié)構

直流微電網(wǎng)有并網(wǎng)和孤島兩種運行模式。目前國內(nèi)外已有很多學者對微電網(wǎng)的孤島運行控制方式展開過研究[3～5]，文獻[3]針對風儲直流微電網(wǎng)采用粒子群算法減小直流母線電壓的波動，提高系統(tǒng)的響應時間。文獻[4]將神經(jīng)網(wǎng)絡與下垂控制相結(jié)合，能夠自動實現(xiàn)功率分配，同時減少了傳感器設備數(shù)量降低了系統(tǒng)成本。文獻[5]針對光伏電池的最大功率跟蹤過程提出一種非對稱模糊控制方法，對儲能系統(tǒng)采用分段式控制，以應對不同情況下的功率分配問題，以上方法有效地解決了電壓波動較大的問題，但邏輯控制過程較為復雜。

基于以上研究現(xiàn)狀，本文針對含太陽能光伏板、負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，進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對電力電子系統(tǒng)的變結(jié)構特點，對蓄電池的充放電過程采用滑?？刂?，為了減小開關頻率對系統(tǒng)的影響，引入等效控制法，固定開關管的頻率。最后在Matlab中搭建仿真模型，驗證所提出控制策略的有效性及可行性。

1 整個系統(tǒng)的組成

本文所采用的小型微電網(wǎng)結(jié)構如圖2所示，分布式電源太陽能光伏板和蓄電池分別通過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

1.1 光伏電池的建模

太陽能光伏板的輸出功率通常受太陽光照強度和環(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，對升壓變換器采用最大功率跟蹤點控制，其控制流程圖如圖4所示。

圖3 不同光照強度和溫度下輸出功率

圖4 最大功率跟蹤點控制流程圖

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始終處于截止狀態(tài)，D2周期性的通斷，當D2截止時電感通過二極管放電，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表示一個周期內(nèi)開關器件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始終處于截止狀態(tài)，D1周期性的通斷。當D1導通時電感電流上升，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表示一個周期內(nèi)開關器件D1的占空比。

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

當太陽能光伏板的輸出功率可以滿足負載所需功率時，蓄電池不工作；當太陽能光伏板的輸出功率大于負載所需功率時，蓄電池吸收過剩功率；反之，蓄電池和太陽能光伏板輸出功率共同向負載供電。在實際的應用之中，光照、溫度以及負載都是在不斷變化的，為了滿足應用需求，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常見的應用于變結(jié)構系統(tǒng)的非線性控制方法?；？刂七^程可以分為兩個階段[8]：到達階段和滑動階段。在第一階段（到達階段）不管被控軌跡處于哪一位置，都將受到滑?？刂频淖饔贸O計的滑模面移動。當軌線到達滑模面之后進入第二階段（滑動階段），此時系統(tǒng)將受無窮大頻率切換函數(shù)的作用，使軌線不離開滑模面上。圖6是被控系統(tǒng)在滑?？刂谱饔孟碌脑韴D。

圖6 滑模控制過程

2.2 滑?？刂破鞯脑O計

DC-DC變換器是在兩個子電路拓撲結(jié)構之間不斷切換，具備變結(jié)構的特點，所以可直接運用變結(jié)構的原理對其進行分析和控制[9～11]。

蓄電池在工作時，有充放電兩種狀態(tài)。當蓄電池向負載供電時，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（right half plane zero,RHPZ）的特性，這通常使得受控系統(tǒng)的動態(tài)響應滯后，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是滑動系數(shù)

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

由于式(8)和式(9)得到控制器的輸入：

定頻滑?？刂破魍ㄟ^脈沖寬度調(diào)制實現(xiàn)，令0＜u=m12＜1，則控制信號Vc和載波信號幅值Vramp分別為：

3 仿真搭建及分析

為驗證所提控制策略可行性和有效性，通過在MATLAB中搭建如圖7所示等效電路圖，并對其進行驗證，仿真時采用5個并聯(lián)的光伏電池，一個額定容量為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)過多次反復試驗，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)過程分析

當光照強度為250W/m2，仿真時間到達0.5s時，光伏達到最大功率266W，蓄電池SOC基本不變，由光伏電池向負載供電，蓄電池不工作，仿真結(jié)果如圖8(a)～圖8(c)所示；當光照強度為500W/m2時，仿真時間在0.5s時，光伏達到最大功率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 光照強度為250W/m2的仿真圖

圖9 光照強度為500W/m2的仿真圖

從以上兩個例子都可以看出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)過程分析

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

圖10 光照強度突變時的瞬態(tài)過程

圖11 負載突變時的瞬態(tài)過程

由以上仿真結(jié)果可以看出：直流微電網(wǎng)進入孤島運行時，當負載或光照強度發(fā)生變化時，采用定頻PWM滑?？刂撇呗远寄軌蚴沟媚妇€電壓快速恢復到期望值，并保持恒定，與預期結(jié)果一致。

4 結(jié)語

本文針對含光伏和蓄電池的直流微電網(wǎng)結(jié)構在孤島運行條件下穩(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，蓄電池通過充放電維持直流母線電壓的恒定；

2）利用等效控制法，固定開關管的頻率，減小開關損耗，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，可以有效地控制蓄電池的充放電電流，以延長蓄電池的使用壽命；

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