基于滑模变结构的三相LCL型并网变换器控制系统设计

孙泽廷

基于滑模变结构的三相LCL型并网变换器控制系统设计

孙泽廷

（天津港保税区益诚电力设备有限公司，天津 300450）

针对LCL型并网变换器构成的三阶系统导致的谐振效应，提出一种新型的电流滑模变电流内环控制策略，采用改进型指数趋近律改善滑模面的抖振现象，无需增加额外的传感器，可有效抑制并网电流谐波，同时动态响应快速。基于完整的实验结果说明了控制策略的有效性。

滑模变结构；LCL滤波器；三相逆变器；滑模控制

1 引言

LCL型并网变换器由于具有优良的高频衰减特性和高功率密度等优势，在三相并网变换器中获得普遍推广[1]。然而，LCL型滤波网络作为三阶系统，良好的高频衰减特性在有效降低谐波失真的同时有可能造成并网电流畸变严重，导致发生不稳定现象，因此对LCL型并网变换器控制系统设计提出了更高要求。

为有效解决上述缺陷，相关研究人员相继提出多种控制策略，主要可以分为无源阻尼与有源阻尼两类。文献[2-3]提出采用电容支路串接电阻抑制高频谐振，但增加了额外的功率损耗，降低了整机效率，同时增大了设计成本，不利于工程应用。与无源阻尼相比，有源阻尼由于不会引入额外的功率损耗，因此被广泛推广，文献[4-5]提出通过引入LCL网络中电容支路电流反馈来维持整机稳定运行，增加额外的电流传感器，工程设计成本加大。

滑模控制可有效抑制周期性干扰的同时能够保证较高的并网功率因数和正弦度。基于此，本文提出一种适用于三相LCL型并网逆变器的电流滑模控制策略，为消除滑模控制自身存在的抖振现象，采用了一种改进型的指数趋近律有效减小抖振影响，抑制LCL型逆变器高频谐振尖峰。最后，运用完整的实验平台进行了必要的验证分析。

2 三相LCL型并网变换器拓扑及数学模型

三相LCL型并网变换器的拓扑结构[4]如图1所示。

图1 三相LCL型并网变换器电路拓扑

dc为理想直流源；1～6为开关管；sx（=，，）为并网电压；Lx为逆变器侧电流gx为并网电流；dc为直流侧电流；滤波电感f、滤波电容f、滤波电感g构成LCL滤波器网络。

选取变换器侧电流Lx，并网电流gx与电压cx为状态变量，根据图1可得状态空间方程为：

式（1）中：L、g、C为滤波电感f、滤波电感g、滤波电容f的寄生电阻；k为占空比信号。

根据式（1）可得LCL并网变换器系统模型框图，如图2所示。

图2 LCL并网变换器系统模型框图

根据图2列写LCL型并网变换器开环传递函数表达方程为：

式（2）中：为滑模函数。

3 电流内环滑模变结构系统设计

为抑制谐振峰值的影响，有学者提出多样化的控制方案，如电容支路串接电阻[3]、电容电流预估[4]、单电流反馈控制[5]等，增大系统额外损耗的同时难以保障单位功率因数。

文中采用基于滑模变结构的电流环路设计，选取状态误差偏差为滑模面函数（）中的变量，则滑模面结构为：

（）=11+2（3）

常用的趋近律主要包含等速趋近律、指数趋近律、幂次趋近律与一般趋近律，为消除抖振文中采用了一种新型的趋近律，其表达式为：

式（4）中：2为趋近律参数。

综合式（1）可得滑模变控制离散输出信号为：

则三相LCL型并网变换器控制结构框图如图3所示。

以a相为例，根据图1可列写各变量关系为：

假设网侧电流实时跟踪给定值为2，可得期望值为：

并网整流器侧电流期望值1需要用到网侧电流期望值2，2与电网电压保持同相同频，2和g呈比例关系，因此系统只需采样1与g。

当系统工作于滑模面时=0，可得：

滑模控制率=eq+n，其中eq为等效控制律，n为切换控制律，则可得：

根据式（8）与式（4）可得滑模控制输出信号为：

进一步可得广义滑模观测器可达性判据为：

根据式（10）可知文中设计采用的电流滑模观测器满足系统稳定性条件。

4 实验验证分析

以DSP28335为控制芯片，搭建了额定功率为5 kW的三相LCL型并网变换器平台，并进行了必要的验证分析，其中滤波电感f=650 μH，滤波电容f=50 μF，开关频率为10 kHz，直流电压为720 V，网侧电压为380 V/50 Hz。

不同工况下实验输出波形如图4所示。

图4 不同工况下实验输出波形

图4（a）与图4（b）为给定系统功率为5 kW与2.5 kW时并网电压与电流波形，电压电流始终保持同相位，输出性能良好，完全满足国标标准。

满载切换为半载时实验输出波形如图5所示。

图5 满载切换为半载时实验输出波形

系统由半载切换至满载时，系统响应快速，鲁棒性优良。

5 结论

针对LCL型并网变换器电流跟踪效果差、难以抑制外部扰动造成系统振荡等问题，采用基于滑模控制的电流内环控制策略，针对滑模变结构的振荡现象，提出改进型滑模器结构。给出了详细的理论分析设计方案，并结合实验结果验证了理论设计的可靠性。

［1］揭飞，陈国定，钟引帆，等.带LCL滤波的单相逆变器滑模控制［J］.太阳能学报，2017，38（4）：1032-1038.

［2］庄超，叶永强，赵强松，等.基于分裂电容法的LCL并网逆变器控制策略分析与改进［J］.电工技术学报，2015，30（16）：85-93．

［3］王海松，王晗，张建文，等.LCL型并网逆变器的分裂电容无源阻尼控制［J］.电网技术，2014，38（4）：895-902．

［4］陈东，张军明，钱照明.带LCL滤波器的并网逆变器单电流反馈控制策略［J］.中国电机工程学报，2013，33（9）：10-16.

［5］姚志垒，肖岚，张方华.无阻尼LCL滤波并网逆变器的设计与实现［J］.高电压技术，2013，39（5）：1232-1237.

TM46

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.001

2095－6835（2020）13－0001－02

〔编辑：严丽琴〕