基于滑模控制的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)控制策略

宋汶秦，薛 晟，張中丹，王興貴，郭 群

（1.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，蘭州730050；2.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州730050）

隨著能源需求的急劇加大和石化能源的不斷消耗，其他可替代能源受到越來越多的關(guān)注，豐富的太陽(yáng)能資源在應(yīng)用中被證明是一種經(jīng)濟(jì)的能源[1]，目前光伏發(fā)電系統(tǒng)作為分布式電源受到人們的重視，為提高能源利用率，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）成為其研究重點(diǎn)之一[2]，最大功率點(diǎn)跟蹤是一個(gè)自動(dòng)尋優(yōu)過程，為克服固定電壓法、電導(dǎo)增量法、擾動(dòng)觀察法[3]等常用MPPT 方法的缺點(diǎn)，近年來發(fā)展了滑模控制、模糊邏輯控制、遺傳算法等智能控制方法，以提高控制精度和響應(yīng)時(shí)間[4]。

對(duì)于離網(wǎng)運(yùn)行分布式發(fā)電系統(tǒng)，可以采用蓄電池等儲(chǔ)能裝置，其對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定控制、電能質(zhì)量改善和不間斷供電具有非常重要的作用，文獻(xiàn)[5]介紹了多種適用于獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置；文獻(xiàn)[6]比較了不同儲(chǔ)能裝置的特點(diǎn)，文獻(xiàn)[7]提出孤島微源逆變器雙閉環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流母線電壓和頻率的穩(wěn)定控制；文獻(xiàn)[8]在傳統(tǒng)下垂控制的電壓電流環(huán)加入動(dòng)態(tài)虛擬阻抗反饋，增強(qiáng)了系統(tǒng)頻率和電壓的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。在此，以研究光伏電池滑模MPPT控制為基礎(chǔ)，分別提出了逆變器輸入側(cè)直流母線電壓穩(wěn)定控制策略和獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)微源逆變器電壓電流雙閉環(huán)控制策略。

1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

所研究的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。光伏電池PV（photo voltaic）組件輸出后，經(jīng)第1級(jí)Boost變換器實(shí)現(xiàn)升壓，以滿足負(fù)載側(cè)直流母線電壓利用率要求[9]，同時(shí)實(shí)現(xiàn)光伏陣列MPPT；第2級(jí)電路由三相逆變器，通過濾波器連接到負(fù)載組成。逆變器輸入側(cè)直流母線通過雙向DC/DC變流器接入蓄電池，確保系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定，以滿足負(fù)載供電需求。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 System topology

1.1 光伏陣列模型

理想的單個(gè)光伏電池可等效為電流源并聯(lián)二極管的形式，考慮光伏陣列形式，其I-U 特性表示為[10]

式中：Ipv為輸出電流；Upv為輸出電壓；Isc為光生電流；I0為二極管反向飽和漏電流；Uth為光伏陣列端電壓；Rs為光伏陣列的等效串聯(lián)電阻；Rb為等效并聯(lián)電阻。

1.2 boost變換器模型

通過VT7開關(guān)函數(shù)u的模式組合，得到Boost變換器的狀態(tài)空間平均模型如下：

u=0時(shí)，VT7關(guān)斷，二極管VD1導(dǎo)通，電感L放電，電容C充電，表達(dá)為

u=1時(shí)，VT7導(dǎo)通，VD1截止，電感L 儲(chǔ)能，電容C 放電，表示為

式（2）、式（3）平均得到變換器的平均狀態(tài)空間模型為

式中：RL為Boost輸出直流側(cè)等效負(fù)載；d為VT7占空比。

1.3 逆變器模型

逆變器采用滯環(huán)電流控制策略，其輸出電壓va，vb，vc以及直流側(cè)輸入電流Idc與逆變器開關(guān)狀態(tài)s1，s2和s3有關(guān)。

1.4 儲(chǔ)能系統(tǒng)模型

雙向DC/DC變流器的上、下橋臂開關(guān)管控制信號(hào)反向，兩管交替互補(bǔ)導(dǎo)通，這種控制方式不需要狀態(tài)邏輯單元就可以獲得雙向狀態(tài)切換，系統(tǒng)響應(yīng)更快[11]，忽略開關(guān)損耗，可得系統(tǒng)狀態(tài)空間方程為

式中：d1，d2分別為雙向DC/DC變流器開關(guān)管V1，V2的占空比；im為儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出電流；Ibt為蓄電池輸出電流；ubt為蓄電池端口電壓。

2 系統(tǒng)控制策略

2.1 光伏電池滑模MPPT控制

滑模控制應(yīng)用于微源MPPT 具有良好的跟蹤性能且抗干擾性強(qiáng)，在此采用一階滑模控制器作為優(yōu)化工具，由PV 特性曲線可知，當(dāng)?Ppv/?Upv=0，即Upv?Ppv/?Upv+Ipv=0時(shí)，太陽(yáng)電池將持續(xù)產(chǎn)生最大功率輸出，因此定義滑模切換函數(shù)s，可得

而在PV輸出功率曲線中，滑模切換函數(shù)s 疊加調(diào)節(jié)量Δ 即可到達(dá)MPP點(diǎn)。因此可將控制函數(shù)α設(shè)置為

為減少系統(tǒng)不確定性及外界干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，將滑模控制結(jié)構(gòu)分為等效控制αeq和變結(jié)構(gòu)控制αw兩部分，即

其中，αeq確保系統(tǒng)狀態(tài)在滑模面上，αw確保在非理想情況，系統(tǒng)狀態(tài)不離開滑模面，αeq由條件s˙=0 得出，滿足：

變結(jié)構(gòu)控制αw可定義為

式中：K為趨近律系數(shù)，且K>0。存在邊界層Δ，使得sat（s）滿足：

因此，控制信號(hào)α應(yīng)為

結(jié)合文獻(xiàn)[12-13]可知，選取李亞普洛夫函數(shù)為

在此所選滑模切換函數(shù)s滿足廣義滑動(dòng)模態(tài)存在條件，即

則對(duì)于系統(tǒng)（4），選擇切換函數(shù)（7），采用式（13）所示開關(guān)信號(hào)，系統(tǒng)存在滑動(dòng)模態(tài)，并符合穩(wěn)定性需求。

2.2 逆變器輸出控制

獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，為確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，逆變環(huán)節(jié)采用電壓電流雙閉環(huán)控制，從而為系統(tǒng)提供電壓和頻率支撐，電壓外環(huán)的主要作用是確定指令電流的參考值和穩(wěn)定系統(tǒng)逆變器交流側(cè)電壓幅值，電流內(nèi)環(huán)根據(jù)指令電流參考值對(duì)電流進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電流快速跟蹤。系統(tǒng)控制原理如圖2所示。

圖2 逆變器輸出控制原理Fig.2 Inverter output control schematic

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，坐標(biāo)變換相位θ 由系統(tǒng)給定頻率積分所得，電壓外環(huán)的給定電壓與反饋電壓作比較后，經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器并加入濾波電容電流解耦分量得到電流內(nèi)環(huán)參考值，之后與反饋電流進(jìn)行比較，電流環(huán)也采用PI 調(diào)節(jié)器，輸出后加入電感電壓解耦分量得到電流內(nèi)環(huán)輸出量，再乘以調(diào)節(jié)系數(shù)Kd，Kq并經(jīng)坐標(biāo)反變換得到系統(tǒng)調(diào)制信號(hào)參考值。

2.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制

蓄電池雙向DC/DC變流器工作于單端穩(wěn)壓模式以確保逆變器輸入側(cè)直流母線電壓穩(wěn)定，母線電壓參考值Udc*與測(cè)量值Udc的差值經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器得到蓄電池參考電流ibt*，與ibt作差經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器得到輸出控制信號(hào)，經(jīng)脈寬調(diào)制后實(shí)現(xiàn)變換器的控制。其控制原理如圖3所示。

圖3 蓄電池控制原理Fig.3 Battery control schematic

3 仿真結(jié)果

為驗(yàn)證所提出控制策略的有效性，利用MatLab/Simulink 建立了基于滑模控制的光伏電池MPPT、蓄電池儲(chǔ)能以及微源逆變器仿真模型，其中PV 參數(shù)見表1。

表1 PV 參數(shù)Tab.1 PV parameters

根據(jù)搭建的仿真模型，設(shè)置環(huán)境溫度為25℃。仿真時(shí)間0～2 s時(shí)，光照強(qiáng)度為420 W/m2；2～4 s時(shí)，光照強(qiáng)度為450 W/m2；4～6 s時(shí)，光照強(qiáng)度為410 W/m2；6～8 s時(shí)，光照強(qiáng)度為380 W/m2；8～10 s時(shí)，光照強(qiáng)度為420 W/m2，PV輸出電流及功率波形如圖4所示，Boost變流器輸出功率及電壓波形如圖5所示。

由圖4，圖5可見，當(dāng)環(huán)境溫度保持不變，而光照輻射強(qiáng)度變化時(shí)，PV輸出電流波動(dòng)較大，符合光伏電池的輸出特性，隨著光照輻射強(qiáng)度增加，PV的最大功率點(diǎn)跟隨增加光照輻射強(qiáng)度。Boost變流器輸出功率、電壓均跟隨PV輸出功率變化。

圖4 PV輸出電流及功率的波形Fig.4 Waveform of PV output current and power

圖5 Boost輸出功率及電壓的波形Fig.5 Waveform of Boost output power and voltage

將3 組PV 電池串聯(lián)組成PV 發(fā)電單元，通過逆變器輸出，采用儲(chǔ)能補(bǔ)償后的光伏微源直流鏈電壓波形如圖6所示，由圖可見，在光照條件變化的情況下，直流鏈電壓幅值波動(dòng)較小，輸出電壓穩(wěn)定，表明該控制策略能夠達(dá)到良好的直流鏈電壓穩(wěn)定控制效果。

圖6 逆變器輸入側(cè)電壓波形Fig.6 Voltage waveform at input side of inverte

負(fù)載從28 Ω變化至20 Ω時(shí)，系統(tǒng)的電壓、電流波形如圖7所示，圖中，時(shí)間為2 s時(shí)，負(fù)載增大，系統(tǒng)線電壓減小，1個(gè)工頻周期后電壓恢復(fù)。可見系統(tǒng)電流在負(fù)載變化時(shí)發(fā)生突變，電流增大。

圖7 系統(tǒng)輸出電壓及電流的波形Fig.7 Waveform of system output voltage and current

系統(tǒng)輸出頻率波形如圖8所示，由圖可見，在負(fù)載突變情況下，系統(tǒng)輸出頻率偏差始終保持在-0.2～0.2 Hz 以內(nèi)，滿足電網(wǎng)頻率要求。

圖8 系統(tǒng)頻率波形Fig.8 System frequency waveform

4 結(jié)語(yǔ)

所提出的基于滑模控制和電壓電流雙閉環(huán)控制的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行策略，經(jīng)過仿真驗(yàn)證，表明：基于滑模變結(jié)構(gòu)的MPPT控制器能夠在光照輻射強(qiáng)度變化條件下快速跟蹤最大功率，控制效率較高，提高了光伏微源利用率；采用蓄電池儲(chǔ)能裝置可有效抑制光伏微源輸出功率隨機(jī)性引起的逆變器輸入側(cè)直流母線電壓波動(dòng)；系統(tǒng)逆變器采用電壓電流雙閉環(huán)控制可確保在負(fù)載波動(dòng)條件下系統(tǒng)輸出電壓和頻率的穩(wěn)定。