基于滑模變結構的三相LCL型并網變換器控制系統設計

孫澤廷

基于滑模變結構的三相LCL型并網變換器控制系統設計

孫澤廷

（天津港保稅區益誠電力設備有限公司，天津 300450）

針對LCL型并網變換器構成的三階系統導致的諧振效應，提出一種新型的電流滑模變電流內環控制策略，采用改進型指數趨近律改善滑模面的抖振現象，無需增加額外的傳感器，可有效抑制并網電流諧波，同時動態響應快速。基于完整的實驗結果說明了控制策略的有效性。

滑模變結構；LCL濾波器；三相逆變器；滑模控制

1 引言

LCL型并網變換器由于具有優良的高頻衰減特性和高功率密度等優勢，在三相并網變換器中獲得普遍推廣[1]。然而，LCL型濾波網絡作為三階系統，良好的高頻衰減特性在有效降低諧波失真的同時有可能造成并網電流畸變嚴重，導致發生不穩定現象，因此對LCL型并網變換器控制系統設計提出了更高要求。

為有效解決上述缺陷，相關研究人員相繼提出多種控制策略，主要可以分為無源阻尼與有源阻尼兩類。文獻[2-3]提出采用電容支路串接電阻抑制高頻諧振，但增加了額外的功率損耗，降低了整機效率，同時增大了設計成本，不利于工程應用。與無源阻尼相比，有源阻尼由于不會引入額外的功率損耗，因此被廣泛推廣，文獻[4-5]提出通過引入LCL網絡中電容支路電流反饋來維持整機穩定運行，增加額外的電流傳感器，工程設計成本加大。

滑模控制可有效抑制周期性干擾的同時能夠保證較高的并網功率因數和正弦度。基于此，本文提出一種適用于三相LCL型并網逆變器的電流滑模控制策略，為消除滑模控制自身存在的抖振現象，采用了一種改進型的指數趨近律有效減小抖振影響，抑制LCL型逆變器高頻諧振尖峰。最后，運用完整的實驗平臺進行了必要的驗證分析。

2 三相LCL型并網變換器拓撲及數學模型

三相LCL型并網變換器的拓撲結構[4]如圖1所示。

圖1 三相LCL型并網變換器電路拓撲

dc為理想直流源；1～6為開關管；sx（=，，）為并網電壓；Lx為逆變器側電流gx為并網電流；dc為直流側電流；濾波電感f、濾波電容f、濾波電感g構成LCL濾波器網絡。

選取變換器側電流Lx，并網電流gx與電壓cx為狀態變量，根據圖1可得狀態空間方程為：

式（1）中：L、g、C為濾波電感f、濾波電感g、濾波電容f的寄生電阻；k為占空比信號。

根據式（1）可得LCL并網變換器系統模型框圖，如圖2所示。

圖2 LCL并網變換器系統模型框圖

根據圖2列寫LCL型并網變換器開環傳遞函數表達方程為：

式（2）中：為滑模函數。

3 電流內環滑模變結構系統設計

為抑制諧振峰值的影響，有學者提出多樣化的控制方案，如電容支路串接電阻[3]、電容電流預估[4]、單電流反饋控制[5]等，增大系統額外損耗的同時難以保障單位功率因數。

文中采用基于滑模變結構的電流環路設計，選取狀態誤差偏差為滑模面函數（）中的變量，則滑模面結構為：

（）=11+2（3）

常用的趨近律主要包含等速趨近律、指數趨近律、冪次趨近律與一般趨近律，為消除抖振文中采用了一種新型的趨近律，其表達式為：

式（4）中：2為趨近律參數。

綜合式（1）可得滑模變控制離散輸出信號為：

則三相LCL型并網變換器控制結構框圖如圖3所示。

以a相為例，根據圖1可列寫各變量關系為：

假設網側電流實時跟蹤給定值為2，可得期望值為：

并網整流器側電流期望值1需要用到網側電流期望值2，2與電網電壓保持同相同頻，2和g呈比例關系，因此系統只需采樣1與g。

當系統工作于滑模面時=0，可得：

滑模控制率=eq+n，其中eq為等效控制律，n為切換控制律，則可得：

根據式（8）與式（4）可得滑模控制輸出信號為：

進一步可得廣義滑模觀測器可達性判據為：

根據式（10）可知文中設計采用的電流滑模觀測器滿足系統穩定性條件。

4 實驗驗證分析

以DSP28335為控制芯片，搭建了額定功率為5 kW的三相LCL型并網變換器平臺，并進行了必要的驗證分析，其中濾波電感f=650 μH，濾波電容f=50 μF，開關頻率為10 kHz，直流電壓為720 V，網側電壓為380 V/50 Hz。

不同工況下實驗輸出波形如圖4所示。

圖4 不同工況下實驗輸出波形

圖4（a）與圖4（b）為給定系統功率為5 kW與2.5 kW時并網電壓與電流波形，電壓電流始終保持同相位，輸出性能良好，完全滿足國標標準。

滿載切換為半載時實驗輸出波形如圖5所示。

圖5 滿載切換為半載時實驗輸出波形

系統由半載切換至滿載時，系統響應快速，魯棒性優良。

5 結論

針對LCL型并網變換器電流跟蹤效果差、難以抑制外部擾動造成系統振蕩等問題，采用基于滑模控制的電流內環控制策略，針對滑模變結構的振蕩現象，提出改進型滑模器結構。給出了詳細的理論分析設計方案，并結合實驗結果驗證了理論設計的可靠性。

［1］揭飛，陳國定，鐘引帆，等.帶LCL濾波的單相逆變器滑模控制［J］.太陽能學報，2017，38（4）：1032-1038.

［2］莊超，葉永強，趙強松，等.基于分裂電容法的LCL并網逆變器控制策略分析與改進［J］.電工技術學報，2015，30（16）：85-93．

［3］王海松，王晗，張建文，等.LCL型并網逆變器的分裂電容無源阻尼控制［J］.電網技術，2014，38（4）：895-902．

［4］陳東，張軍明，錢照明.帶LCL濾波器的并網逆變器單電流反饋控制策略［J］.中國電機工程學報，2013，33（9）：10-16.

［5］姚志壘，肖嵐，張方華.無阻尼LCL濾波并網逆變器的設計與實現［J］.高電壓技術，2013，39（5）：1232-1237.

TM46

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.001

2095－6835（2020）13－0001－02

〔編輯：嚴麗琴〕