两级单相光伏并网系统积分滑模控制_刘旭恒.pdf

第 42 卷第 3 期2023 年 6 月兰州交通大学学报Journal of Lanzhou Jiaotong UniversityVol 42 No 3Jun 2023收稿日期:2022-11-25学报网址:https:/lztx cbpt cnki net基金项目:国家自然科学基金(62063015)作者简介:刘旭恒(1997 )，男，甘肃定西人，硕士研究生，主要研究方向为光伏微电网鲁棒控制研究。E-mail:2629479453 qq com文章编号:1001-4373(2023)03-0046-09DOI:10 3969/j issn 1001-4373 2023 03 007两级单相光伏并网系统积分滑模控制刘旭恒，滕青芳(兰州交通大学 自动化与电气工程学院，兰州730070)摘要:针对典型的两级单相光伏并网系统，为了提高其抗干扰能力，提出了一种基于自适应指数趋近律的积分滑模控制策略，以实现光伏最大功率追踪和并网电流控制。首先，针对前级 DC/DC 变换器，采用基于扰动观察法的积分滑模控制，使光伏输出电压跟踪其参考电压，从而实现光伏最大功率追踪;其次，针对后级 DC/AC 变换器，采用基于双环控制的积分滑模控制，不仅保证了直流母线电压恒定，而且确保了并网电流准确、快速地跟踪并网电流参考值。仿真结果表明:所设计的积分滑模控制不仅使光伏并网系统具有良好的动态和稳态性能，而且增强了系统的鲁棒性，降低了系统抖振。关键词:光伏;最大功率追踪;积分滑模控制;自适应指数趋近律;两级单相光伏并网系统中图分类号:TM464文献标志码:AIntegral Sliding Mode Control for Two-StageSingle-Phase Photovoltaic Grid-Connected SystemLIU Xu-heng，TENG Qing-fang(School of Automation and Electrical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)Abstract:In order to improve the anti-interference ability of the typical two-stage single-phase photovolta-ic grid-connected system，an integral sliding mode control(ISMC)strategy based on an adaptive expo-nential convergence law is proposed to achieve maximum power point tracking(MPPT)and improve thepower quality of grid-connected current Firstly，for the fore-stage DC/DC converter，the Perturb and Ob-serve-based ISMC method is put forward to make the photovoltaic output voltage track its reference voltageand thus realize the photovoltaic MPPT Secondly，for the post-stage DC/AC converter，the double loop-based ISMC method is proposed to not only ensure the constant DC bus voltage but also make the grid-connected current accurately and quickly track its reference value The simulation results show that thedesigned ISMC not only makes the photovoltaic grid-connected system have satisfactory dynamic andsteady-state performance，but also enhances the robustness of the system and reduces the system chatte-ringKey words:photovoltaic;maximum power point tracking;integral sliding mode control;adaptive expo-nential approach;two-stage single-phase photovoltaic grid-connected system为应对全球气候危机，减少碳排放已逐渐成为全球共识。中国已明确提出了到2030 年实现“碳达峰”和到 2060 年实现“碳中和”的双碳目标。作为一种清洁的可再生能源，太阳能具有巨大的开发和第 3 期刘旭恒等:两级单相光伏并网系统积分滑模控制应用潜力，发展太阳能是实现双碳目标的有效途径之一1。作为利用太阳能的高效形式之一，光伏并网系统可以将光伏发出的电能直接输送到大电网，其中，两级光伏并网系统由前级 DC/DC 变换器和后级 DC/AC 变换器组成，为了实现光伏最大功率点追踪(maximum power point tracking，MPPT)和提高光伏并网电能质量，研究两级变换器的控制策略具有重要的工程应用价值2。前级 DC/DC 变换器的 MPPT 控制方法目前主要包括 3 种:一是经典控制法，包括恒压法、扰动观察法(perturb and observe，PO)3 和 增 量 电 导法4;二是人工智能控制法，包括粒子群算法5、神经网络法6、模糊逻辑法7 等;三是双环控制方法8，基于经典 MPPT 方法的外环控制器得到最大功率点对应的参考电压或参考电流，基于电压或电流的内环控制器使光伏电压或电流跟踪其参考值。一般而言，当太阳辐照度变化时，光伏电压变化率较小，因此，与前 2 种方法相比，基于电压的双环控制方法使系统具有更好的跟踪效果，并且易于实现。基于第 3 种方法的系统跟踪性能在很大程度上取决于内环控制器，目前流行的比例积分(proportionalintegral，PI)内环控制器存在最大功率追踪时间长、动态性能较差以及抗干扰能力弱等问题。后级 DC/AC 变换器一般采用电压和电流双闭环控制策略。基于电压的外环控制器实现直流母线电压的恒定控制，其输出为内环控制器提供并网电流参考值，目前外环控制算法广泛采用比例控制9、PI10 和模糊控制11 等;基于电流的内环控制器实现并网电流的跟踪控制，其控制策略大多采用PI 控制、准比例谐振控制(quasi-proportional reso-nance，QP)12、重复控制13 和模型预测控制14 等。尽管上述控制方法具有一定的优点，但是由于非线性的光伏并网系统常常会受到干扰影响(比如间歇性太阳辐照、环境温度变化，系统参数变化等)，所以这些方法不能保证系统良好的动态和稳态性能，更谈不上保证系统的鲁棒性。滑模控制(sliding mode control，SMC)使系统对模型误差、参数变换以及外部干扰表现出良好的鲁棒性和动态性能，且易于实现15，因此，SMC 被广泛应用于非线性不确定系统的控制工程中。而基于积分的 SMC(integral sliding mode control，ISMC)能够进一步提高系统的稳态性能，解决上述两级变换器控制策略存在的问题，继而保证系统良好的动态、稳态性能以及较强的鲁棒性，因此本文将采用基于ISMC 的双环控制策略。针对两级单相光伏并网系统，本文提出了基于自适应指数趋近律的 ISMC 策略。首先，针对前级 DC/DC 变换器，设计了具有内外双环的控制器，其中:外环使用经典的 PO 算法，以获得最大功率点对应的光伏参考电压;内环采用 ISMC，以使光伏输出电压跟踪参考电压。其次，针对后级 DC/AC 并网逆变器，设计基于 ISMC 的内外双环控制器:外环控制实现直流母线电压恒定，并为内环控制系统提供并网电流参考值;内环控制确保并网电流准确、快速地跟踪其参考值。1两级单相光伏并网系统的数学模型典型两级单相光伏并网系统的拓扑结构如图 1所示，它主要由光伏阵列(利用半导体界面的光伏效应将太阳能直接转换为电能)、前级 DC/DC 变换器(常采用 Boost 变换器实现光伏 MPPT，并将光伏功率传输到直流母线)、直流母线电容、后级逆变器以及 LCL 滤波器(将光伏功率注入到大电网)组成。下面重点给出 Boost 变换器、直流母线电容以及并网逆变器的数学模型。图 1两级单相光伏并网系统拓扑图Fig 1Topology of two-stage single-phase photovoltaic grid-connected system74兰州交通大学学报第 42 卷1 1Boost 变换器动态模型图 1 中 Boost 变换器的数学模型为:?upv=iCinCin=ipvCiniLCiniL=upvLudcL(1 1)(1)其中:Cin和 L 分别为 Boost 的输入侧电容和电感，upv和 ipv分别为光伏阵列的输出电压和电流，iCin和 iL分别为Boost的输入侧电容电流和电感电流，1是Boost开关管的占空比。1 2直流母线电容的动态模型图 1 中直流母线电容的数学模型为:idc=Cdcdudcdt=iout iinv(2)其中:Cdc和 udc是直流母线的电容和电压;idc，iout和iinv分别是直流母线电容电流、Boost 输出电流以及后级逆变器输入电流。1 3单相并网逆变器的动态模型图1 中单相 LCL 滤波型并网逆变器的数学模型为:i1=udcL12ucL1?uc=i1CfigCfig=ucLgugLg(3)其中:L1和 Lg分别为逆变器侧电感和电网侧电感;Cf为滤波器电容;i1，ig分别为逆变器侧电流、并网电流;uc和 ug分别为滤波器电容电压和电网电压;2是逆变器开关管的占空比。2两级变换器的 ISMC 策略2 1前级 DC/DC 变换器控制所提出的前级 DC/DC 变换器双环控制框图如图 2 所示，外环和内环控制算法分别采用经典 PO和 ISMC。图 2 中，u*pv是 PO 输出的最大功率点对应的参考电压，1是 ISMC 产生的用于控制 Boost 开关管的占空比。该双环控制目标是使光伏电压 upv跟踪 u*pv，从而实现 MPPT。图 2前级 DC/DC 变换器控制框图Fig 2Control diagram of fore-stage DC/DC converter2 1 1外环 POPO 的基本思想是:周期性地对光伏输出电压施加一定的扰动 u，并监测随之而来的功率变化 P，如果 P 0，表明光伏工作点向最大功率点靠近，则在下一个周期，对光伏输出电压继续施加同向扰动;反之，如果 P 0，表明光伏工作点远离了最大功率点，则在下一个周期，对光伏输出电压施加反相的扰动。最大功率点对应的参考电压 u*pv根据以下规则进行更新:u*pv(k)=u*pv(k 1)+u，if u P 0u*pv(k 1)u，if u P 0u*pv(k 1)，if P=0(4)2 1 2内环 ISMC定义光伏输出电压追踪误差及其一阶微分为:epv1=upv u*pvepv2=?upv?u*pv(5)将式(1)代入式(5)，可得:?epv2=1LCinupv+ipvCin+udcLCin(1 1)u*pv(6)光伏输出电压追踪误差及其一阶微分的状态方程可以写为:?epv1=epv2?epv2=1LCinupv+ipvCin+udcLCin(1 1)u*pv(7)84第 3 期刘旭恒