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单相LCL型并网逆变器的滑模控制策略
2016年微型机与应用第10期
姜慧鹏,刘宜成,蒲明,庞冰洋
(四川大学 电气信息学院,四川 成都 610065)
摘要: 为了改善单相LCL型并网逆变器的稳态性能和瞬时响应性能,提出了一种基于改进切换函数的滑模控制策略。该控制策略从开关函数模型角度分析单相LCL型并网逆变器的数学模型,得到系统的状态方程。通过选取合适的滑模面,求得等效控制。提出一种改进的切换函数设计滑模控制器,并用李雅普洛夫第二法证明了系统的稳定性。最后用MATLAB对系统进行了仿真实验,仿真结果表明,采用该控制策略的逆变器具有较好的稳态性能和瞬时响应性能,其并网电流畸变率为0.41%。
Abstract:
Key words :

  姜慧鹏,刘宜成,蒲明,庞冰洋

  (四川大学 电气信息学院,四川 成都 610065)

       摘要:为了改善单相LCL并网逆变器的稳态性能和瞬时响应性能,提出了一种基于改进切换函数的滑模控制策略。该控制策略从开关函数模型角度分析单相LCL型并网逆变器的数学模型,得到系统的状态方程。通过选取合适的滑模面,求得等效控制。提出一种改进的切换函数设计滑模控制器,并用李雅普洛夫第二法证明了系统的稳定性。最后用MATLAB对系统进行了仿真实验,仿真结果表明,采用该控制策略的逆变器具有较好的稳态性能和瞬时响应性能,其并网电流畸变率为0.41%。

  关键词:滑模控制;并网逆变器;LCL;李雅普洛夫第二法

0引言

  目前,煤炭、天然气等不可再生资源的日益消耗,使环境污染越来越严重,各国都在积极寻求高效、清洁的可再生能源,利用太阳能发电的技术及设备成为研究热点[1]。

  并网逆变器就是其中的一项关键设备,它将光伏电池输出的直流电转换为有谐波的交流电。为了减小谐波的影响,需要对逆变过后的并网电流进行滤波[2]。LCL滤波器的体积小且能有效滤除电流中的高频分量,因此被越来越多地采用。不过这种滤波器的电容支路会引起谐振,这就要求控制器具有更强的稳态性能和更好的响应性能[35]。

  逆变器控制方法已有很多学者研究,常见的几种也各有其优劣势。滞环控制稳定性好、响应快,但要求开关频率高,损耗加大[68]。PI控制技术成熟、可靠性高,但具有稳态误差[910]。另外有学者采用具有较好稳定性、鲁棒性和瞬时响应特性的滑模控制[1011],但对逆变器的模型做了一定的简化,且在控制器中引入了基于传递函数模型的PI控制。本文从开关函数角度出发,推导了单相LCL型并网逆变器的数学模型,并采用基于改进切换函数的滑模控制策略设计控制器。最后,用MATLAB仿真验证了控制器的有效性和正确性。

1电路结构及数学模型

  单相LCL型并网逆变器采用桥式逆变,并网侧用LCL滤波器滤波,电路结构如图1 所示。其中,Udc、Uin、UC和e分别直流侧电压、逆变器输出电压、滤波电容电压和并网电压;iL、iC、ig分别为流过逆变器侧电感L1的电流、流过滤波电容Cf的电流和流过网侧电感Lg的并网电流[12]。 

001.jpg

  由基尔霍夫电压和电流定律,列出各个回路的电路方程如下:

  1.png

  其中,Sk为开关函数。

  以上方程可化简为:

  2.png

  取x=[x1x2x3]=[ig-irefg-refg-ref],u=Sk,则有状态方程:

  3.png

  2滑模控制器的设计

  滑模控制有基于等效控制和基于趋近律的两种实现方法[13],这里采用基于等效控制的方法。设计步骤如下。

  首先选取滑模面:

  s=x1+k1x2+k2x3(4)

  其中,k1、k2为大于零的常数。

  由s=0得:

  =1+k12+k23=0 (5)

  将式(3)代入推导得:

  6.png

  在取切换控制时,采用改进的切换控制函数:

  un=-k3s-k4sgn(s)(7)

  其中,k3、k4为大于零的常数。则可以得到控制量u=ueq+un,即:

  8.png

  这里得到的控制量是一个连续的时间信号,需要通过一个PWM产生器,产生4个开关信号来控制全桥的对应开关。

  3稳定性的证明

  取正定标量函数:

  914.jpg

  根据李雅普诺夫第二法的相关论述可知系统稳定。

4系统仿真分析

  为了证明改进的滑模控制器的有效性,用MATLAB对一台额定容量为1 kVA的并网逆变器进行了仿真,控制器分别采用双闭环(PI+P)控制策略[14]和改进的滑模控制策略。表1列出了系统的仿真参数。

007.jpg

  为观察系统的稳态性能,在并网逆变器稳定运行时,分析并网电压与并网电流,并对并网电流做FFT分析。为了突出对比,将电流放大了10倍显示。

  采用双闭环(PI+P)控制策略时,并网电压和并网电流如图2所示,并网电流的FFT分析如图3所示,并网电压与并网电流同频同相,THD为0.66%。

002.jpg

003.jpg

  采用改进的滑模控制策略时,并网电压和并网电流如图4所示,并网电流的FFT分析如图5所示,并网电压与并网电流同频同相,THD为0.41%,系统具有较好的稳态性能。

  

004.jpg

  为观察系统的瞬时响应性能,分析了负载在满载与半载之间跳变的情况,得到了跳变(跳变时刻t=0.025 s)时的并网电流波形。

  采用双闭环(PI+P)控制策略时,半载至满载跳变的情况如图6所示,满载跳变至半载的情况如图7所示,并网电流能在0.002 s(0.1个周期)内恢复稳定运行,且有最大为0.7的超调。

  

005.jpg

  采用改进的滑模控制策略时,半载至满载跳变的情况如图8所示,满载跳变至半载的情况如图9所示,并网电流能在0.001 s(0.05个周期)内恢复稳定运行,且没有超调,系统具有较好的瞬时响应性能。

006.jpg

5结论

  本文推导了单相LCL型并网逆变器的数学模型,提出了一种基于改进切换函数的滑模控制策略。1 kVA并网逆变器的仿真研究表明,采用本文所提出的滑模控制策略,系统具有较好的稳态性能,在负载跳变后,系统能快速地恢复稳定运行,具有很好的瞬时响应特性。

参考文献

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