光伏并網逆變器滑模控制策略研究

汪小平，吳靜妹

（安徽工業大學，安徽 馬鞍山 243002）

光伏并網逆變器滑模控制策略研究

汪小平，吳靜妹

（安徽工業大學，安徽 馬鞍山 243002）

傳統的光伏并網控制多采用PI電流環控制方式，此方式存在控制精度低、對系統參數擾動的魯棒性不強，快速性、強抗干擾負荷的能力有限等弊端。為了提高光伏并網逆變器控制系統的動態性能，根據并網逆變器的非線性數學模型，提出了采用改進指數滑模變結構控制，對光伏并網逆變器控制系統進行研究。理論推導了滑模變結構控制在并網逆變器應用的滑模面的存在性及系統穩定性。通過仿真與傳統的PI控制系統進行了比較，對并網輸出電流諧波分析，證明了所提出的控制策略是正確的，系統具有良好的控制精度和跟蹤性能。

光伏并網逆變器控制；PI控制；滑模變結構控制

光伏并網發電裝置是將光伏陣列輸出的直流電能轉化為正弦交流電，然后向電網供電的一個裝置，實際上是一個有源逆變系統。并網逆變器作為光伏并網發電系統和電網接口的關鍵設備[1]。其控制方法的選擇，對提高光伏發電效率，降低成本具有重要的意義。采用開環控制，其控制精度往往不能滿足系統的要求。采用電壓和電流雙閉環控制[2-4]，其控制系統相對復雜、造價高。采用PI控制器來實現電流環控制[5-6]，因為需要正弦電流跟蹤、控制效果也不理想。滑模控制(SMC：sliding mode control)具有快速響應、對參數變化及擾動不靈敏、無需系統在線辯識，物理實現簡單等優點[7-9]，越來越在現代控制中得到更多的關注。本文將SMC理論用于光伏并網逆變器控制系統中，理論推導了滑模變結構控制在并網逆變器應用的滑模面的存在性及系統穩定性。并且與傳統的PI控制加電壓補償控制策略做了比較研究。

1 光伏并網逆變器

單相光伏并網逆變電路多采用全橋逆變電路，其拓撲結構如圖1所示。

圖1 全橋式逆變電路

udc為PV陣列經過Boost升壓及控制后的穩定電壓；uab為逆變器輸出的電壓；unet為電網電壓；inet為并網電流；RL為線路的等效電阻，一般很小；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之間電壓差的作用，圖中各變量之間的關系為：

光伏并網運行，內環要求快速跟隨參考電流的瞬態變化，是整個控制系統設計的關鍵點。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與電網同頻同相位，其給定值與實際的并網電流反饋值進行比較，差值通過控制調節器處理后，輸出經三角波調制，輸出正弦波脈寬調制信號，經驅動電路放大，驅動功率電子開關器件工作，產生與電網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 電流環滑模控制設計

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

?

由表1可得：uab=(s1－s2)udc，同理可得

根據基爾霍夫電壓電流定律可得：

令u(t)=s1－s2，以udc，inet為狀態變量，建立系統狀態空間方程為：

取滑模切面為P-I形式：

控制的目標：使得并網電流跟蹤參考電流，即x1跟蹤上x1*。由式（5）可得：

式中：un(t)為非線性開關函數輸入。在滑模控制系統中，由于時間和空間滯后開關、系統慣性等影響會產生“抖振”。抖振一方面增加了系統的動態損耗，另一方面有可能引起共振，降低系統的穩態精度。為了削減抖振的強度，取un(t)為改進型指數形式：

由式（4）和（6）可得：

滿足滑動模態存在性及系統穩定條件。

3 仿真與分析

由控制原理，在Simulink中對并網逆變控制系統進行仿真實驗。取 udc=400 V，RL=0.01Ω，參考電流為 10 A，

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

當L=5mH，L=3.5mH時，SMC并網電流輸出波形如圖6所示。

圖3 參考電流及滑模面輸出

圖4 S MC輸出的并網電流及諧波分析

圖5 PI控制輸出的并網電流及諧波分析

圖6 S MC控制輸出的并網電流

從圖3、圖4、圖5可以看出，PI控制基本上實現了并網電流的跟蹤功能，但是其單環控制系統存在著一定的幅值和相位差。此外，輸出并網電流波形不理想，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輸出的并網電流的幅值和相位基本與給定波形吻合。此外，輸出并網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，當電感發生變化時，SMC輸出的并網電流的幅值與相位幾乎沒有發生變化，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理論的優越性、正確性。

4 結論

本文選擇改進的指數滑模控制律應用于光伏并網系統中，推導了所選滑模控制律的存在性及系統穩定性。通過仿真實驗證明了改進的指數滑模控制提高了控制精度，改善了系統魯棒性和跟蹤特性，證明了其理論的優越性、正確性。

[1] 馬尚行，戴永軍，何金偉.光伏逆變器的并網控制技術研究[J].電源技術，2011，35(6)：688-690.

[2] ZHAO Yi-shu,ZHANG Yan,WANG Da-peng,et al.The circuit topology for single-phase grid-connected system and the control technology on converters[J].IEEE,2008,25(3):2-4.

[3] ZHANG Hui,SHAN Lin,REN Jing,et al.Study on photovoltaic grid-connected inverter control system[J].IEEE,2009,43(2):210-212.

[4] 吳佳宇，馬秀娟.光伏并網逆變器控制策略研究[J].電源技術應用，2009，12(8)：10-12.

[5]沈玉粱，徐偉新，趙為,等.單輸入單相SPWM調制的光伏并網發電系統控制規律的研究[J].太陽能學報，2004,25(6):794-798.

[6]SELVARAJJ,RAHIM N A,KRISMADINATA C.Digital PIcurrent control for grid connected PV inverter[J].IEEE,2008,17(9):742-746.

[7] 龔臣.逆變器的滑模控制數字化研究[D].廣州：華南理工大學，2005:21-22.

[8] CHEM LG,DONGM,GU Y.Slidingmode controller for the singlephase grid-connected photovoltaic system[J].IEEE,2006,35(9): 1101-1115.

[9] 劉金琨，孫富春.滑模變結構控制理論及其算法研究與進展[J].控制理論與應用，2007,24(3)：408-415.

[10]HUOQun-hai,KONG Li,WEITong-zhen,etal.A new method for the photovoltaic grid-connected inverter control[J].IEEE,2008,32 (4):2626-2629.

[11] 王豐堯.滑模變結構控制[M].北京：機械工業出版社，1995：29-31.

[12]董曉鵬，王兆安.基于改進周期平均模型的PWM整流器控制[J].電力電子技術，1999，5(2)：11-14.

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，主要研究方向為電網諧波檢測與治理等。