基于準(zhǔn)滑模控制的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

王　璇，史敬灼

(1.洛陽理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化系，河南洛陽471023；2.河南科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南洛陽471023)

基于準(zhǔn)滑模控制的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

王璇1，史敬灼2

(1.洛陽理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化系，河南洛陽471023；2.河南科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南洛陽471023)

光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)控制是新能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，而保持電網(wǎng)功率最大輸出和并網(wǎng)穩(wěn)定性則是該系統(tǒng)的核心問題。針對(duì)以上問題，進(jìn)行了最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，簡(jiǎn)稱MPPT)算法控制DC/DC電路的方案選擇，并且提出了一種準(zhǔn)滑模控制策略對(duì)逆變器進(jìn)行控制。基于理論分析及設(shè)計(jì)，最終搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

光伏系統(tǒng)；最大功率點(diǎn)跟蹤；準(zhǔn)滑模；并網(wǎng)；逆變器

在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，光照、位置環(huán)境和溫度等各種因素都會(huì)造成光伏板輸出功率的變化，如何使太陽電池達(dá)到最大功率輸出是一直以來廣泛受到重視的問題，即太陽電池的最大功率點(diǎn)跟蹤問題。在智能電網(wǎng)時(shí)代，各種分布式能源的并網(wǎng)可以緩解供電壓力，也可以對(duì)生態(tài)環(huán)境的改善有一定幫助。但各種分布式能源的并網(wǎng)也會(huì)影響到電網(wǎng)的穩(wěn)定和電網(wǎng)質(zhì)量，因此在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)研究中如何使并網(wǎng)功率因數(shù)達(dá)到1，也成為了廣泛關(guān)注的問題[1]。

本論文主要針對(duì)以上兩個(gè)問題進(jìn)行研究并設(shè)計(jì)出光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，對(duì)于MPPT的最優(yōu)方案選擇以仿真的形式進(jìn)行討論和驗(yàn)證，而在逆變器的控制中引入滑模控制理論，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件提出準(zhǔn)滑模控制方式，最終通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來驗(yàn)證該算法在系統(tǒng)中的可行性。

1　系統(tǒng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制概述

單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中最主要的兩個(gè)部分是DC/DC升壓電路和DC/AC逆變并網(wǎng)電路。在本次設(shè)計(jì)中升壓電路采用單相BOOST變換電路，逆變并網(wǎng)電路采用雙極性控制，并在該控制中引入準(zhǔn)滑模控制策略，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1中縮寫單詞的中英文全稱為：最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)；比例積分(proportion integration，PI)；脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)。

該光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中為了達(dá)到高效功率輸出和穩(wěn)定并網(wǎng)運(yùn)行的目的，在DC/DC部分加入最大功率跟蹤控制算法，而在DC/AC部分加入準(zhǔn)滑模控制策略。

圖1　單相光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2　太陽電池仿真建模

2.1太陽電池?cái)?shù)學(xué)模型

太陽電池發(fā)電的基本原理是光生伏打效應(yīng)[2]，也就是應(yīng)用P-N結(jié)的光伏效應(yīng)將太陽的光能轉(zhuǎn)變成電能。太陽電池的等效電路如圖2所示。

圖2　太陽電池的等效電路模型

2.2太陽電池仿真模型

在本次仿真中，因?yàn)樾枰軌蚍从惩饨绻庹蘸蜏囟鹊淖兓M出在不同太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度時(shí)的實(shí)時(shí)變化的情況，故選用基于物理特性建立的模型，雖然這一模型較為復(fù)雜，但其能得出較高精度的仿真結(jié)果。

參照Siemens公司生產(chǎn)的型號(hào)為SP75的光伏陣列，它由36個(gè)單結(jié)晶硅太陽電池串聯(lián)而成。該太陽電池組件的特性方程為：

建立太陽電池的MATLAB/Simulink仿真模型，如圖3所示。

圖3　太陽電池輸出特性仿真模型

3　最大功率點(diǎn)跟蹤方法及仿真

最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)是指通過控制使太陽電池能夠盡量趨近于最大功率點(diǎn)的跟蹤過程。由于影響太陽電池內(nèi)阻的兩個(gè)因素：日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度均是一直變化的，從而使得其輸出功率不穩(wěn)定。目前，對(duì)于最大功率點(diǎn)跟蹤方法的研究比較多，很多文獻(xiàn)都提出了不同的MPPT方法，但是最常用的還是恒電壓控制法、干擾觀測(cè)法、電導(dǎo)增量法。

3.1MPPT算法的仿真模型建立

恒電壓跟蹤法(CVT)在設(shè)計(jì)時(shí)只考慮到光照強(qiáng)度對(duì)太陽電池陣列開路電壓的影響，使得恒電壓控制方式下功率跟蹤的結(jié)果會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，在實(shí)際應(yīng)用中局限性太大，因此本文不對(duì)該方法在MATLAB/Simulink中進(jìn)行仿真和比較。

干擾觀測(cè)法以一種漸進(jìn)的，并在最大功率點(diǎn)附近較小的范圍內(nèi)以往復(fù)振蕩的運(yùn)行狀態(tài)來向該點(diǎn)搜尋靠近，最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)該策略建立的MATLAB仿真系統(tǒng)建模如圖4所示。電導(dǎo)增量法是建立在太陽電池電導(dǎo)變化量的比較分析上，最終實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤的一種控制方法。采用與干擾觀測(cè)法一樣的平臺(tái)進(jìn)行仿真，在MATLAB/Simulink平臺(tái)建立電導(dǎo)增量法的控制模型，將其對(duì)電壓擾動(dòng)改為對(duì)占空比的操作[5]，如圖5所示。

圖4　占空比干擾觀測(cè)法仿真模型

圖5　電導(dǎo)增量法仿真模型

3.2仿真結(jié)果及分析

設(shè)定占空比調(diào)整步長(zhǎng)dD為0.007，零階保持器采樣周期為0.007 s。先將該模型與前述太陽電池模塊和負(fù)載模塊連接，然后考慮環(huán)境溫度參數(shù)dT和光照強(qiáng)度參數(shù)dS，通過乘法模塊將太陽電池輸出電流值和電壓值進(jìn)行乘法計(jì)算，所得結(jié)果通過示波器輸出波形，即太陽電池輸出功率。設(shè)定光照強(qiáng)度從500 W/m2上升到1 000 W/m2，然后溫度從25℃上升到65℃，干擾觀測(cè)法和電導(dǎo)增量法的仿真模型功率輸出曲線分別如圖6、圖7所示。

由以上分析可知，電導(dǎo)增量法較干擾觀測(cè)法和恒電壓控制法有更好的控制精確度，響應(yīng)速度快，而且穩(wěn)態(tài)的振蕩也比擾動(dòng)觀測(cè)法小，能較好地跟蹤最大功率點(diǎn)，適用于大氣條件變化較快的場(chǎng)合，還避免了擾動(dòng)觀測(cè)法的盲目調(diào)節(jié)過程，但是它對(duì)控制系統(tǒng)的硬件要求較高，所以造價(jià)也相對(duì)高一些。根據(jù)以上分析本系統(tǒng)采用電導(dǎo)增量法[6]。

圖6　占空比干擾觀測(cè)法功率變化曲線

圖7　電導(dǎo)增量法功率變化曲線

4　基于滑模變控制的光伏并網(wǎng)逆變

基于變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)理論的滑模控制具有受參數(shù)變化及擾動(dòng)影響較小，響應(yīng)快速，系統(tǒng)不用考慮在線辨識(shí)功能，良好的動(dòng)態(tài)特性等優(yōu)點(diǎn)，可以用于對(duì)逆變器這類固有的變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

4.1光伏并網(wǎng)逆變器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用了通常用的雙極性控制方式如圖1所示。這種方式的特點(diǎn)是：S1、S4和S2、S3分別組成一組開關(guān)，兩組開關(guān)交替通斷，即S1、S4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，S2、S3必須同時(shí)關(guān)斷，反之亦然[7]。由此根據(jù)基爾霍夫定律或者拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程可以得到：

將(3)(4)合并得：

式中：u為負(fù)載電壓；UD為直流側(cè)電壓。

其中，規(guī)定當(dāng)S1、S4通，S2、S3斷時(shí)γ=1，當(dāng)S1、S4斷，S2、S3通時(shí)γ=－1。另外，通過分析逆變電路的工作原理，我們還可以確定出ID與式IL2的邏輯關(guān)系：

當(dāng)IL2≥0，γ=1時(shí)：ID=IL2；IL2≥0，γ=－1時(shí)：ID=－IL2。

當(dāng)IL2＜0，γ=1時(shí)：ID=－IL2；當(dāng)IL2＜0，γ=－1時(shí)：ID=IL2。

由此可知ID可以用一個(gè)符號(hào)函數(shù)sgn(IL2∩γ)與IL2的乘積來表示：

式中：ID為直流側(cè)電流；IL2為負(fù)載電流。

4.2準(zhǔn)滑模控制策略

將滑模控制策略應(yīng)用于逆變器控制中顯然可以滿足對(duì)于魯棒性和響應(yīng)速度的要求，但在本次研究中由于考慮到器件開關(guān)頻率的限制以及研究條件的限制，沒有辦法實(shí)現(xiàn)理想的滑模控制，因此提出了準(zhǔn)滑模控制策略[8]。

定義一個(gè)滑模面：

式中：I為狀態(tài)量，表示的是并網(wǎng)實(shí)際電流；I*為并網(wǎng)給定電流；α為常數(shù)。

則：

由于在實(shí)際情況中起控制作用的開關(guān)切換頻率無法達(dá)到理想情況下的無窮大，即系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)軌跡無法沿著滑模面完全作上下垂直運(yùn)動(dòng)，因此，在此引入一個(gè)函數(shù)γ來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)滑模控制，γ是具有典型繼電器特性的切換函數(shù)，其特性可描述為：

式中：δ表示切換函數(shù)的滯回區(qū)間，為一正實(shí)數(shù)。由于δ的作用使得整個(gè)開關(guān)控制能保持中心模態(tài)S=0，而且整個(gè)控制的切換過程發(fā)生在S=±δ之間。

顯然，以上的滑模面控制函數(shù)和切換函數(shù)能夠確定逆變電路的切換條件和控制規(guī)律。

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

該系統(tǒng)基于太陽能光伏陣列和TMS320F2407A微控制器，設(shè)計(jì)研制了本文提出的單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中首先通過電壓閉環(huán)控制環(huán)節(jié)控制DC-DC電路輸出恒定值，然后在準(zhǔn)滑模控制策略基礎(chǔ)上對(duì)逆變電路進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)如下：

在進(jìn)行該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，要求能保證并網(wǎng)時(shí)電流和電壓的同頻同相控制，并且保證并網(wǎng)時(shí)的功率能達(dá)到光伏陣列輸出的最大功率。所以在該控制系統(tǒng)中，通過最大功率點(diǎn)跟蹤算法(MPPT)單元來控制實(shí)數(shù)變量β的取值，將β與電網(wǎng)電壓信號(hào)u相乘便得到了電流給定信號(hào)I*L2，通過給定信號(hào)的控制便可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)cosφ=1的有源濾變。

電網(wǎng)電壓幅值u=220 V，電網(wǎng)頻率ωu=100 π，L2=10 mL，C=220 μF并網(wǎng)參考電流幅值I*L2=0.5 A，DC-DC電路輸出電壓U=240 V，采樣頻率f=5 kHz。

由圖8可以看出，逆變電路A、B兩點(diǎn)的輸出電壓UAB按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，其波形呈明顯的雙極性正弦波PWM特征。同時(shí)針對(duì)小的系統(tǒng)擾動(dòng)沒有明顯的波形變化，具有良好的魯棒特性，也驗(yàn)證了準(zhǔn)滑模控制策略的合理性。

從圖9波形圖中可以看出，并網(wǎng)成功后正常運(yùn)行時(shí)，并網(wǎng)電流IL2與電網(wǎng)電壓u頻率相同相位一致，因此可以驗(yàn)證對(duì)本系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)功率因數(shù)趨近于1的目標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)。另外在圖中可以看見，并網(wǎng)電流波形中含有較多的諧波分量，這種情況的產(chǎn)生也正是因?yàn)椴捎昧嘶？刂撇呗裕瑥亩沟们笆龅亩墩駟栴}在此波形中體現(xiàn)，但本次設(shè)計(jì)沒有研究出消除抖振的方法，該問題將在以后的研究中來解決。

圖8　逆變電路輸出電壓與并網(wǎng)電流波形

圖9　電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流波形

6　總結(jié)

隨著時(shí)代的發(fā)展，電能成為了人類生活中不可或缺的一部分，而對(duì)電能不斷增長(zhǎng)的需求使得一次能源日益枯竭、環(huán)境污染加劇，于是新能源的產(chǎn)生與開發(fā)便成為了當(dāng)下的熱點(diǎn)問題，其中太陽能的應(yīng)用以其存儲(chǔ)巨大、清潔無害和取之不竭的優(yōu)點(diǎn)迅速引起了人類的關(guān)注，如何最有效地來應(yīng)用太陽能就是一個(gè)關(guān)鍵問題。而隨著電子科技的發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)供電質(zhì)量的要求日益嚴(yán)格，因此在光伏電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)如何保證電網(wǎng)電能質(zhì)量也是一個(gè)很關(guān)鍵的問題。解決以上問題就是本論文需要完成的主要內(nèi)容。

本文通過仿真實(shí)驗(yàn)確定了電導(dǎo)增量法來進(jìn)行MPPT控制，從而提高光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。同時(shí)本系統(tǒng)在逆變電路中引入準(zhǔn)滑模控制策略來保證功率因素為1以及并網(wǎng)的穩(wěn)定性，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

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Photovoltaic(PV)grid system based on quasi sliding mode control

WANG Xuan1,SHI Jing-zhuo2
(1.Department of Electrical Engineering,Luoyang Institute of Science and Technology,Luoyang Henan 471023,China; 2.Electrical Engineering College,Henan University of Science and Technology,Luoyang Henan 471023,China)

Grid connected photovoltaic power generation system control is a hot research topic in the field of new energy and maintaining the maximum output power and grid connected power grid stability is the key problems of the system.In view of the above problems,the maximum power point tracking(maximum power point tracking,refers to MPPT)selection scheme of control algorithm of DC/DC circuit carried out,and a kind of quasi sliding mode control strategy was proposed to control the inverter.Based on the theory analysis and the design,the final experimental platform was constructed for experimental study.

photovoltaic system;maximum power point tracking;quasi-sliding mode;grid-connected;inverter

TM 615

A

1002-087 X(2016)10-1990-03

2016-03-15

河南省科技廳(112400450401)

王璇(1984—)，女，湖北省人，碩士研究生，講師，主要研究方向?yàn)楣夥⒕W(wǎng)發(fā)電技術(shù)。