光伏并网逆变器滑模控制策略研究

汪小平，吴静妹

（安徽工业大学，安徽 马鞍山 243002）

光伏并网逆变器滑模控制策略研究

汪小平，吴静妹

（安徽工业大学，安徽 马鞍山 243002）

传统的光伏并网控制多采用PI电流环控制方式，此方式存在控制精度低、对系统参数扰动的鲁棒性不强，快速性、强抗干扰负荷的能力有限等弊端。为了提高光伏并网逆变器控制系统的动态性能，根据并网逆变器的非线性数学模型，提出了采用改进指数滑模变结构控制，对光伏并网逆变器控制系统进行研究。理论推导了滑模变结构控制在并网逆变器应用的滑模面的存在性及系统稳定性。通过仿真与传统的PI控制系统进行了比较，对并网输出电流谐波分析，证明了所提出的控制策略是正确的，系统具有良好的控制精度和跟踪性能。

光伏并网逆变器控制；PI控制；滑模变结构控制

光伏并网发电装置是将光伏阵列输出的直流电能转化为正弦交流电，然后向电网供电的一个装置，实际上是一个有源逆变系统。并网逆变器作为光伏并网发电系统和电网接口的关键设备[1]。其控制方法的选择，对提高光伏发电效率，降低成本具有重要的意义。采用开环控制，其控制精度往往不能满足系统的要求。采用电压和电流双闭环控制[2-4]，其控制系统相对复杂、造价高。采用PI控制器来实现电流环控制[5-6]，因为需要正弦电流跟踪、控制效果也不理想。滑模控制(SMC：sliding mode control)具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辩识，物理实现简单等优点[7-9]，越来越在现代控制中得到更多的关注。本文将SMC理论用于光伏并网逆变器控制系统中，理论推导了滑模变结构控制在并网逆变器应用的滑模面的存在性及系统稳定性。并且与传统的PI控制加电压补偿控制策略做了比较研究。

1 光伏并网逆变器

单相光伏并网逆变电路多采用全桥逆变电路，其拓扑结构如图1所示。

图1 全桥式逆变电路

udc为PV阵列经过Boost升压及控制后的稳定电压；uab为逆变器输出的电压；unet为电网电压；inet为并网电流；RL为线路的等效电阻，一般很小；L为滤波电感，除用于滤除高次谐波外，还兼有平衡逆变器和电网之间电压差的作用，图中各变量之间的关系为：

光伏并网运行，内环要求快速跟随参考电流的瞬态变化，是整个控制系统设计的关键点。本文采用SPWM电流跟踪方式。控制框图如图2所示。

图2 S P W M方式电流跟踪控制框图

其控制过程是：参考电流i*net与电网同频同相位，其给定值与实际的并网电流反馈值进行比较，差值通过控制调节器处理后，输出经三角波调制，输出正弦波脉宽调制信号，经驱动电路放大，驱动功率电子开关器件工作，产生与电网同频同相位的正弦波电流[10]。其中控制方式可以为PI或SMC等。

2 电流环滑模控制设计

图1中uab是在SPWM方式控制下的输出交流脉冲波电压。定义开关函数sk为：sk与桥臂间电压的关系如表1所示。

?

由表1可得：uab=(s1－s2)udc，同理可得

根据基尔霍夫电压电流定律可得：

令u(t)=s1－s2，以udc，inet为状态变量，建立系统状态空间方程为：

取滑模切面为P-I形式：

控制的目标：使得并网电流跟踪参考电流，即x1跟踪上x1*。由式（5）可得：

式中：un(t)为非线性开关函数输入。在滑模控制系统中，由于时间和空间滞后开关、系统惯性等影响会产生“抖振”。抖振一方面增加了系统的动态损耗，另一方面有可能引起共振，降低系统的稳态精度。为了削减抖振的强度，取un(t)为改进型指数形式：

由式（4）和（6）可得：

满足滑动模态存在性及系统稳定条件。

3 仿真与分析

由控制原理，在Simulink中对并网逆变控制系统进行仿真实验。取 udc=400 V，RL=0.01Ω，参考电流为 10 A，

当L=7mH时，参考电流及SMC滑模面的输出如图3所示，各控制下并网电流输出波形及谐波分析如图4、图5所示。

当L=5mH，L=3.5mH时，SMC并网电流输出波形如图6所示。

图3 参考电流及滑模面输出

图4 S MC输出的并网电流及谐波分析

图5 PI控制输出的并网电流及谐波分析

图6 S MC控制输出的并网电流

从图3、图4、图5可以看出，PI控制基本上实现了并网电流的跟踪功能，但是其单环控制系统存在着一定的幅值和相位差。此外，输出并网电流波形不理想，存在纹波，由谐波分析THD=5.11%；与PI控制相比，SMC的控制性能都有很大提升。SMC输出的并网电流的幅值和相位基本与给定波形吻合。此外，输出并网电流波形近似光滑曲线，纹波大大减小，由谐波分析THD=0.44%。从图6可看出，当电感发生变化时，SMC输出的并网电流的幅值与相位几乎没有发生变化，只是纹波稍有增加，但是与PI控制输出相比仍有很大的改善。这证明了SMC理论的优越性、正确性。

4 结论

本文选择改进的指数滑模控制律应用于光伏并网系统中，推导了所选滑模控制律的存在性及系统稳定性。通过仿真实验证明了改进的指数滑模控制提高了控制精度，改善了系统鲁棒性和跟踪特性，证明了其理论的优越性、正确性。

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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，主要研究方向为电网谐波检测与治理等。