CN102868183A - 单相并网逆变器的基于多谐振滑模面的滑模变结构控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相并网逆变器的基于多谐振滑模面的滑模变结构控制方法，首先根据检测到的单相并网逆变器系统的逆变侧滤波电感的电流i₁，滤波电容的电压v_c，网侧滤波电感的电流i₂，以及并网逆变器系统的目标输出电流i₁ ^*、滤波电容的目标电压v_C ^*及并网目标电流i₂ ^*构建线性滑模面，然后在线性滑模面中加入谐振项，从而得到多谐振滑模面，利用此多谐振滑模面设计滑模变结构控制器，并在原有的非线性控制器中引入线性状态反馈控制器，得到最终的控制量调制波d(s)，最后以该调制波与载波进行比较，生成驱动信号用以驱动开关管的动作。本发明控制方法不但提高并网逆变器系统的鲁棒性和动态响应能力，还提高并网电流的跟踪精度并消除其谐波含量，简单、易于实现。

Description

单相并网逆变器的基于多谐振滑模面的滑模变结构控制方法

技术领域

本发明属于新能源发电系统控制技术应用领域，特别涉及单相并网逆变器的一种单相并网逆变器的基于多谐振滑模面的滑模变结构控制方法。

背景技术

随着新能源的发展，并网逆变器得到了广泛的研究。其中，并网逆变器的稳定性控制是当今的一个研究热点。其控制目标：具有快速跟踪能力、对外界扰动的强鲁棒性、零稳态误差以及较低的总谐波失真。

针对并网逆变器的控制问题，目前存在的控制方法可以分为两类：线性控制和非线性控制。前者包括PI控制、PR控制、无差拍控制以及重复控制等；后者包括滞环控制、Bang-Bang控制以及滑模变结构控制等。在经申请人进行的资料检索，截止目前为止，现有技术中还没有利用谐振控制器构造多谐振滑模面的滑模变结构控制的思想，提出并网逆变器并网电流的滑模变结构控制方法。

滑模变结构控制是一种非线性鲁棒控制方法，主要用于处理由于外部干扰，以及系统内部参数摄动等导致的系统建模不精确的问题。优点正是在于：即使模型不精确，其也能良好的维持系统的稳定性和鲁棒性，这非常适合于光伏并网这种强非线性系统。

但是滑模变结构控制也存在自身的缺点，主要为：

1.实际的滑模控制系统由于切换开关非理想等因素的影响，使滑动模态产生高频抖振，这就是滑模变结构控制系统中所特有的“抖振”现象。

2.在实际系统中，系统建模不可能完全精确，系统模型中会存在很多缺陷，例如：电力元件参数不准确、未知的外界扰动等。虽然滑模变结构控制能良好的维持系统的稳定性和鲁棒性，但是却不能有效地保证系统的控制精度。积分滑模控制可以有效地减小直流稳态误差，但是对交流稳态误差以及总谐波失真的抑制能力非常有限，有待进一步改进。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提供一种强鲁棒性、零稳态误差以及低谐波失真的单相并网逆变器的基于多谐振滑模面的新型滑模变结构控制方法。

为达到以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种单相并网逆变器的基于多谐振滑模面的滑模变结构控制方法：首先根据检测到的单相并网逆变器系统的逆变侧滤波电感的电流i₁，滤波电容的电压v_c，网侧滤波电感的电流i₂，以及并网逆变器系统的目标输出电流i₁ ^*、滤波电容的目标电压v_C ^*及并网目标电流i₂ ^*构建线性滑模面，然后在线性滑模面中加入谐振项，从而得到多谐振滑模面，利用此多谐振滑模面设计滑模变结构控制器，并在原有的非线性控制器中引入线性状态反馈控制器，得到最终的控制量调制波d(s)，最后以该调制波与载波进行比较，生成驱动信号用以驱动开关管的动作。

在线性滑模面中加入谐振项后，频域上的多谐振滑模面为：

$\mathrm{\σ}\left(s\right)={\mathrm{\α}}_1{x}_1\left(s\right)+{\mathrm{\α}}_2{x}_2\left(s\right)+{\mathrm{\α}}_3{x}_3\left(s\right)+\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\frac{K_{\mathrm{Rn}}s}{s^2+{\left(\mathrm{n\ω}\right)}^2}{x}_3\left(s\right),$

其中，x₁(s)、x₂(s)、x₃(s)分别为状态变量x₁、x₂、x₃的频域表达式，α₁、α₂、α₃分别为滑模面的参数，K_Rn为谐振控制器的参数，s为变量，n为谐振项的次数，ω为电网电压矢量的角速度；

所述状态变量x₁、x₂、x₃为：x₁=i₁-i₁ ^*,x₂=v_C-v_C ^*,x₃=i₂-i₂ ^*，

$\left\{\begin{array}{c}{i_1}^{*}=I_2\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})-{\mathrm{CL}}_2{I}_2{\mathrm{\ω}}^2\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})+C{\stackrel{\·}{v}}_g\\ {V_C}^{*}=L_2{I}_2\mathrm{\ω}\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})+v_g\\ {i_2}^{*}=I_2\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})\end{array}\right.,$

其中，I₂是参考并网电流，θ是电网电压矢量旋转角度，C是逆变器输出滤波电容容值，L₂是并网测滤波电感感值，v_g是电网电压，

是电网电压的微分；

所述线性滑模面上引入谐振项后，滑模变结构控制器的频域表达式为：d(s)=-εsgn[σ(s)],ε>0，其中，ε为非线性控制器的参数；

在所述滑模变结构控制器中引入线性状态反馈控制器后，最终的频域控制量为：

d(s)=-kσ(s)-εsgn[σ(s)],k>0,ε>0，其中，k为线性状态反馈控制器参数。

本发明控制方法首先选取线性滑模面，以确保滑模变结构控制过程中滑动模态的稳定性，保证系统在滑动模态中逐渐趋近于系统原点，并最终稳定在系统原点处；其次，引入线性状态反馈控制器，来消除滑模控制器固有的抖振现象，提高滑模控制系统的动态性能，加快系统初始启动阶段的响应速度，确保系统状态轨迹在尽可能短的时间内，快速平滑地进入对系统干扰具有良好鲁棒性能的滑模面内运动；最后，为了有效地补偿系统模型不精确所带来的并网电流的稳态误差以及谐波失真，在线性滑模面中加入并网电流误差的多次谐振项，例如1次、3次、5次、7次、11次以及13次等谐振项。

本发明既可以提高并网逆变器系统对干扰的鲁棒性和动态响应能力，又可以提高并网电流的跟踪精度并消除其谐波含量。

本发明简单、易于实现，且不需要附加另外电路。同时利用实验室中容量为5kVA的单相并网逆变器系统样机，对本发明中的方法进行了仿真和实验验证，仿真和实验结果都证明了该方法的准确性、简易性、可靠性，为工程应用提供了很好的参考价值。

附图说明

图1本发明单相并网逆变器系统的拓扑结构；

图2本发明单相并网逆变系统的多谐振滑模变结构控制框图；

图3本发明多谐振滑模变结构控制稳态波形仿真结果图；

图4本发明多谐振滑模变结构控制稳态波形实验结果图；

图5本发明纯线性滑模变结构控制稳态波形实验结果图；

图6本发明积分滑模变结构控制稳态波形实验结果图；

图7本发明纯线性滑模控制、积分滑模控制以及IEEE标准519与多谐振滑模变结构控制并网电流谐波含量的实验结果对比图；

图8本发明多谐振滑模变结构控制并网电流各次谐波含量的实验结果图；

图9本发明多谐振滑模变结构控制并网电流阶跃响应实验结果图；

具体实施方式

参照图1，检测具有LCL滤波器的单相并网逆变器系统的逆变侧滤波电感L₁的电流i₁，滤波电容C的电压v_c，网侧滤波电感L₂的电流i₂，作全状态反馈。参照图2用各误差信号定义多谐振滑模面，生成线性控制量和非线性控制量。

本发明具体是通过以下步骤实现：

步骤1，检测市电电网的电压信号v_g，通过单相锁相环PLL技术求出电网电压矢量旋转角度θ以及角速度ω。

步骤2，利用步骤1中的旋转角度θ和角速度ω与参考并网电流I₂一起计算出LCL滤波器的并网逆变器系统的输出电流给定i₁ ^*、滤波电容电压给定v_C ^*以及并网电流给定i₂ ^*。式（1）中C是逆变器输出滤波电容容值，L₁是逆变器输出侧滤波电感感值，L₂是并网测滤波电感感值，v_g是电网电压，

是电网电压的微分。

$\left\{\begin{array}{c}{i_1}^{*}=I_2\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})-{\mathrm{CL}}_2{I}_2{\mathrm{\ω}}^2\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})+C{\stackrel{\·}{v}}_g\\ {V_C}^{*}=L_2{I}_2\mathrm{\ω}\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})+v_g\\ {i_2}^{*}=I_2\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})\end{array}\right.---\left(1\right)$

步骤3，将单相并网逆变器系统的逆变侧滤波电感L₁的电流i₁，滤波电容C的电压v_c，网侧滤波电感L₂的电流i₂分别与并网逆变器系统的输出电流给定i₁ ^*、滤波电容电压给定v_C ^*以及并网电流给定i₂ ^*相减定义状态变量为x₁=i₁-i₁ ^*,x₂=v_C-v_C ^*,x₃=i₂-i₂ ^*，状态变量的频域表达式分别为x₁(s)、x₂(s)、x₃(s)。在传统的线性滑模面中加入谐振项，定义频域上的多谐振滑模面

$\mathrm{\σ}\left(s\right)={\mathrm{\α}}_1{x}_1\left(s\right)+{\mathrm{\α}}_2{x}_2\left(s\right)+{\mathrm{\α}}_3{x}_3\left(s\right)+\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\frac{K_{\mathrm{Rn}}s}{s^2+{\left(\mathrm{n\ω}\right)}^2}{x}_3\left(s\right)---\left(2\right)$

可以加入n=3,5,7,11,13……各次谐振项以消除并网电流多次谐波；

其中，α₁、α₂、α₃为滑模面的参数，K_Rn为谐振控制器的参数，s为变量。

步骤4，步骤3得到的多谐振滑模面的控制量为：d(s)=-εsgn[σ(s)],ε>0，其中，ε为非线性控制器的参数。

步骤5，在多谐振滑模面的控制量中引入线性状态反馈控制器，定义频域控制量为

d(s)=-kσ(s)-εsgn[σ(s)],k>0,ε>0（3）

将控制量拆分为两部分d_L(s)=-kσ(s)；d_N(s)=-εsgn[σ(s)]。d_L(s)为线性控制器部分，d_N(s)为非线性控制器部分。通过反拉普拉斯变换可以将控制量转换为时域表达式。

步骤6，将步骤5得到的控制量调制波d(s)与载波进行比较（PWM），生成驱动信号以控制开关管的动作。

图3、4给出了采用本发明中控制方法的电网电压v_g、并网电流i₂以及并网电流误差x₃的仿真波形与实验波形。图4中并网电流误差为0.32A，跟踪精度为0.91%。对比图4、5、6，可以看出采用本发明中控制方法能有效的消除并网电流误差。

图7给出了分别采用纯线性滑模控制、积分滑模控制以及IEEE标准519与采用多谐振滑模变结构控制并网电流谐波含量的对比结果，可以看出随着并网电流的减小，其谐波含量增加，但是采用本发明中控制方法时，并网电流具有最低的谐波含量，并且对干扰具有强鲁棒性。

图8给出了电网电压和并网电流的各次谐波含量，可以看出采用本发明中控制方法具有对电网电压的强鲁棒性。

图9给出了采用本发明中控制方法系统的阶跃响应结果，可以看出该控制方法具有优越的动态响应能力。

发明的结果

本发明中给出了一种全新的单相并网逆变器系统的控制方法。并利用MATLAB中的simulink模块对该控制方法进行了仿真验证，同时在实验室中搭建了容量为5kVA的小型实验样机，并对该控制方法进行了实验验证。从仿真和实验的结果可以看到，该控制方法具有对干扰的强鲁棒性、零稳态误差、低谐波以及优越的动态响应能力的特点，为工程应用提供了很好的参考价值。

Claims (6)

1.一种单相并网逆变器的基于多谐振滑模面的滑模变结构控制方法，其特征在于：首先根据检测到的单相并网逆变器系统的逆变侧滤波电感的电流i₁，滤波电容的电压v_c，网侧滤波电感的电流i₂，以及并网逆变器系统的目标输出电流i₁ ^*、滤波电容的目标电压v_C ^*及并网目标电流i₂ ^*构建线性滑模面，然后在线性滑模面中加入谐振项，从而得到多谐振滑模面，利用此多谐振滑模面设计滑模变结构控制器，并在原有的非线性控制器中引入线性状态反馈控制器，得到最终的控制量调制波d(s)，最后以该调制波与载波进行比较，生成驱动信号用以驱动开关管的动作。

2.如权利要求1所述的一种单相并网逆变器的基于多谐振滑模面的滑模变结构控制方法，其特征在于：在线性滑模面中加入谐振项后，频域上的多谐振滑模面为：

$\mathrm{\σ}\left(s\right)={\mathrm{\α}}_1{x}_1\left(s\right)+{\mathrm{\α}}_2{x}_2\left(s\right)+{\mathrm{\α}}_3{x}_3\left(s\right)+\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\frac{K_{\mathrm{Rn}}s}{s^2+{\left(\mathrm{n\ω}\right)}^2}{x}_3\left(s\right),$

其中，x₁(s)、x₂(s)、x₃(s)分别为状态变量x₁、x₂、x₃的频域表达式，α₁、α₂、α₃为滑模面的参数，K_Rn为谐振控制器的参数，s为变量，n为谐振项的次数，ω为电网电压矢量的角速度。

3.如权利要求2所述的一种单相并网逆变器的基于多谐振滑模面的滑模变结构控制方法，其特征在于：所述状态变量x₁、x₂、x₃为：x₁=i₁-i₁ ^*,x₂=v_C-v_C ^*,x₃=i₂-i₂ ^*，

$\left\{\begin{array}{c}{i_1}^{*}=I_2\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})-{\mathrm{CL}}_2{I}_2{\mathrm{\ω}}^2\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})+C{\stackrel{\·}{v}}_g\\ {V_C}^{*}=L_2{I}_2\mathrm{\ω}\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})+v_g\\ {i_2}^{*}=I_2\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})\end{array}\right.,$

其中，I₂是参考并网电流，θ是电网电压矢量旋转角度，C是逆变器输出滤波电容容值，L₂是并网测滤波电感感值，v_g是电网电压，

是电网电压的微分。

4.如权利要求3所述的一种单相并网逆变器的基于多谐振滑模面的滑模变结构控制方法，其特征在于：所述线性滑模面上引入谐振项后，滑模变结构控制器的频域表达式为：d(s)=-εsgn[σ(s)],ε>0，其中，ε为非线性控制器参数。

5.如权利要求4所述的一种单相并网逆变器的基于多谐振滑模面的滑模变结构控制方法，其特征在于：在所述滑模变结构控制器中引入线性状态反馈控制器后，滑模变结构控制器的频域表达式为：

d(s)=-kσ(s)-εsgn[σ(s)],k＞0,ε>0，其中，k为线性状态反馈控制器参数。

6.一种单相并网逆变器的基于多谐振滑模面的滑模变结构控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）检测市电电网的电压信号v_g，通过单相锁相环PLL技术求出电网电压矢量旋转角度θ以及角速度ω；

（2）利用步骤1中的旋转角度θ和角速度ω与参考并网电流I₂一起计算出LCL滤波器的并网逆变器系统的输出电流给定i₁ ^*、滤波电容电压给定v_C ^*以及并网电流给定i₂ ^*，式（1）中，C是逆变器输出滤波电容容值，L₁是逆变器输出侧滤波电感感值，L₂是并网测滤波电感感值，v_g是电网电压，

是电网电压的微分，

$\left\{\begin{array}{c}{i_1}^{*}=I_2\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})-{\mathrm{CL}}_2{I}_2{\mathrm{\ω}}^2\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})+C{\stackrel{\·}{v}}_g\\ {V_C}^{*}=L_2{I}_2\mathrm{\ω}\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})+v_g\\ {i_2}^{*}=I_2\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})\end{array}\right.---\left(1\right)$

（3）将单相并网逆变器系统的逆变侧滤波电感L₁的电流i₁，滤波电容C的电压v_c，网侧滤波电感L₂的电流i₂分别与并网逆变器系统的输出电流给定i₁ ^*、滤波电容电压给定v_C ^*以及并网电流给定i₂ ^*相减，定义状态变量为x₁=i₁-i₁ ^*,x₂=v_C-v_C ^*,x₃=i₂-i₂ ^*，状态变量的频域表达式分别为x₁(s)、x₂(s)、x₃(s)，在线性滑模面中加入谐振项，定义频域上的多谐振滑模面为

$\mathrm{\σ}\left(s\right)={\mathrm{\α}}_1{x}_1\left(s\right)+{\mathrm{\α}}_2{x}_2\left(s\right)+{\mathrm{\α}}_3{x}_3\left(s\right)+\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\frac{K_{\mathrm{Rn}}s}{s^2+{\left(\mathrm{n\ω}\right)}^2}{x}_3\left(s\right)---\left(2\right)$

其中，α₁、α₂、α₃为滑模面的参数，K_Rn为谐振控制器的参数，s为变量；

（4）在多谐振滑模面的控制量中引入线性状态反馈控制器，定义频域控制量为：d(s)=-kσ(s)-εsgn[σ(s)],k>0,ε>0，其中，ε为非线性控制器参数，k为线性状态反馈控制器参数；

（5）将步骤5得到的控制量调制波d(s)与载波进行比较，生成驱动信号以控制开关管的动作。

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