CN109039135A - 基于交错反激式微逆变器的滑模均流控制方法 - Google Patents

基于交错反激式微逆变器的滑模均流控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于交错反激式微逆变器的滑模均流控制方法，其包含以下步骤：基于交错反激式微逆变器的原边电流参考信号以及原边电流构建滑模面模型；对滑模面模型进行积分变换，根据积分变换后的滑模面模型得到扰动观测器；根据原边电流、原边电流参考信号、滑模面模型以及扰动观测器确定交错反激式微逆变器的滑模控制律，以通过滑模控制律实现交错反激式微逆变器原边电流的均流控制。本发明能够很好的实现电流均分，避免了某一变换器过载而引起的系统效率以及可靠性的降低。对于由耦合、参数不一致和扰动造成的输出不平衡问题有很好的鲁棒性，无论参数是否相同，都能有效地实现电流均分。

Description

基于交错反激式微逆变器的滑模均流控制方法
技术领域
本发明涉及输出控制领域，具体地说，涉及一种基于交错反激式微逆变器的滑模均流控制方法。
背景技术
交错反激式微逆变器由于输出电流容易控制和高效性被广泛应用于光伏交流并网模块。目前来说，对工作在断续模式(DCM,discontinuous conduction mode)的交错反激式拓扑结构进行均流控制是一个极具挑战的问题。如果不能实现均流控制可能会引起参数不平衡以及扰动引起的负载不平衡，进而影响系统的动态性能。
因此，本发明提供了一种基于交错反激式微逆变器的滑模均流控制方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于交错反激式微逆变器的滑模均流控制方法，所述方法包含以下步骤：
基于所述交错反激式微逆变器的原边电流参考信号以及原边电流构建滑模面模型；
对所述滑模面模型进行积分变换，根据积分变换后的滑模面模型得到扰动观测器；
根据所述原边电流、所述原边电流参考信号、所述滑模面模型以及所述扰动观测器确定所述交错反激式微逆变器的滑模控制律，以通过所述滑模控制律实现所述交错反激式微逆变器原边电流的均流控制。
根据本发明的一个实施例，构建滑模面模型的步骤中，包含以下步骤：
根据所述交错反激式微逆变器的原边电流参考信号以及原边电流得到电流跟踪误差；
基于所述电流跟踪误差得到误差矢量，根据所述误差矢量构建所述滑模面模型。
根据本发明的一个实施例，当所述交错反激式微逆变器包含第一变换器以及第二变换器共两个变换器时，通过以下公式得到误差矢量：
e＝[e1 e2]T
e1＝I1ref-im1
e2＝I2ref-im2
其中，e表示所述误差矢量，e1以及e2分别表示所述第一变换器以及所述第二变换器的电流跟踪误差，I1ref以及I2ref分别表示所述第一变换器以及所述第二变换器的原边电流参考信号，im1以及im2分别表示所述第一变换器以及所述第二变换器的原边电流。
根据本发明的一个实施例，根据所述误差矢量以及传输矩阵计算得到误差矩阵，通过所述误差矩阵构建所述滑模面模型。
根据本发明的一个实施例，通过以下公式计算得到所述误差矩阵：
[e1 e2 α]T＝Fe
α＝e1-e2
其中，[e1 e2 α]T表示所述误差矩阵，F表示所述传输矩阵，α表示电流均分误差。
根据本发明的一个实施例，通过以下公式确定所述滑模面模型：
S＝λFe
其中，S表示滑模面模型，λ表示滑模系数矩阵。
根据本发明的一个实施例，通过观测增益对角矩阵、系数矩阵以及所述滑模面模型确定所述扰动观测器。
根据本发明的一个实施例，通过以下公式确定所述扰动观测器：
其中，表示所述扰动观测器，ρ表示所述观测增益对角矩阵，β表示系数矩阵，S表示所述滑模面模型。
根据本发明的一个实施例，根据所述原边电流参考信号、所述原边电流、所述扰动观测器、所述传输矩阵、所述滑模系数矩阵以及所述滑模面模型确定所述交错反激式微逆变器的滑模控制律。
根据本发明的一个实施例，通过以下公式确定所述交错反激式微逆变器的滑模控制律：
Iref＝[I1ref I2ref]T
其中，u表示所述滑模控制律，A表示第一矩阵，B表示第二矩阵，x表示矩阵[im1im2]T，K表示正定反馈增益矩阵。
本发明提供的基于交错反激式微逆变器的滑模均流控制方法能够很好的实现电流均分，避免了某一变换器过载而引起的系统效率以及可靠性的降低。对于由耦合、参数不一致和扰动造成的输出不平衡问题有很好的鲁棒性，无论参数是否相同，都能有效地实现电流均分。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1显示了根据本发明的一个实施例的基于交错反激式微逆变器的滑模均流控制方法流程图；
图2显示了一种交错反激式微逆变器拓扑结构；
图3显示了根据本发明的一个实施例的基于交错反激式微逆变器的滑模均流控制方法进行均流控制后输出的并网电流波形；
图4显示了根据本发明的另一个实施例的基于交错反激式微逆变器的滑模均流控制方法进行均流控制后输出的并网电流波形；
图5显示了根据本发明的一个实施例的基于交错反激式微逆变器的滑模均流控制方法进行均流控制后的原边电流波形；以及
图6显示了根据本发明的一个实施例的基于交错反激式微逆变器的滑模均流控制方法进行均流控制后的电流均分误差。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。
图1显示了根据本发明的一个实施例的基于交错反激式微逆变器的滑模均流控制方法流程图。
如图1所示，首先，在步骤S101中，基于交错反激式微逆变器的原边电流参考信号以及原边电流构建滑模面模型。根据本发明的一个实施例，在本步骤中还包含：根据交错反激式微逆变器的原边电流参考信号以及原边电流得到电流跟踪误差。然后，基于电流跟踪误差得到误差矢量，根据误差矢量构建滑模面模型。
根据本发明的一个实施例，根据误差矢量以及传输矩阵计算得到误差矩阵，通过误差矩阵构建所述滑模面模型。
接着，在步骤S102中，对滑模面模型进行积分变换，根据积分变换后的滑模面模型得到扰动观测器。根据本发明的一个实施例，通过观测增益对角矩阵、系数矩阵以及滑模面模型确定扰动观测器。
最后，在步骤S103中，根据原边电流、原边电流参考信号、滑模面模型以及扰动观测器确定交错反激式微逆变器的滑模控制律，以通过滑模控制律实现交错反激式微逆变器原边电流的均流控制。
根据本发明的一个实施例，根据原边电流参考信号、原边电流、扰动观测器、传输矩阵、滑模系数矩阵以及滑模面模型确定交错反激式微逆变器的滑模控制律。
图2显示了一种交错反激式微逆变器拓扑结构，它由解耦电容CPV、第一变换器组、第二变换器组、H桥逆变电路(M1～M4)和CL输出滤波电路五个部分组成。各参数和变量说明如下：vpv为光伏板电压；n为变压器匝比；Lm1、Lm2分别为两个变压器原边励磁电感；im1、im2分别为两个变压器原边电流；is1、is2分别为两个变压器副边电流；Lf为滤波电感；Cf为滤波电容；vac为滤波电感电压；iac为并网电流；vg为电网电压。Rp1，Rp2为变压器原边励磁电感的寄生电阻，Rs1,、Rs2为变压器副边励磁电感的寄生电阻，Rf为输出滤波电感的寄生电阻。D表示为占空比。
为了便于建模及分析，本发明做如下假设：
第一：直流侧解耦电容Cpv足够大，忽略Cpv两侧电流纹波的影响；
第二：考虑变压器原副边电感和输出滤波器电感的串联等效电阻(equivalentseries resistance，ESR)，忽略变压器漏感。
如图1所示的DCM交错反激式逆变器的小信号模型如下：
式中，ADCM，BDCM和WDCM的详细描述如下：
本发明通过控制双反激变换器的原边电流来控制开关Q1和Q2的占空比以达到电流均分的目的。基于交错反激式微逆变器的滑模均流控制方法步骤如下：
首先，基于交错反激式微逆变器的原边电流参考信号以及原边电流构建滑模面模型。将公式(1)改写成以下形式：
式中，x＝[im1 im2]T，u＝[don_1 don_2]T，r表示输入输出扰动。
定义e1和e2分别表示第一变换器和第二变换器的电流跟踪误差。e表示误差矢量。其中，e＝[e1 e2]T。跟踪误差动态方程可以表示为：
e1＝I1ref–im1
e2＝I2ref–im2 (3)
式中，I1ref和I2ref分别表示第一变换器和第二变换器的原边电流参考信号。
由公式(2)和(3)可知，电流误差动态方程可表示为：
式中，参考信号Iref是矩阵[I1ref I2ref]T。α是两个变换器间的电流均分误差，表达式为α＝e1-e2。误差矩阵[e1 e2 α]T可以由单个跟踪误差乘以传输矩阵F得到。
[e1 e2 α]T＝Fe (5)
式中，
最后，设计的总体目标是实现公式(5)中的误差最小化，即电流跟踪误差e1、e2和电流均分误差α最小化。为此，选取三个误差变量用来构建一个3×1维的滑模面S：
S＝[S1 S2 S3]T＝λFe (6)
式中，λ＝diag(λ1，λ2，λ3)是滑模系数，用以体现误差在滑模面的收敛速度。
滑模面模型构建完成后，对滑模面模型进行积分变换，根据积分变换后的滑模面模型得到扰动观测器。为了保证鲁棒性和系统零状态误差，采用滑模面的积分设计扰动观测器。扰动观测器定义如下：
式中，ρ是观测增益对角矩阵，用来调节滑模控制器。β是系数矩阵，用来限制积分增益。除此之外，为了保证扰动观测器能实现，矩阵ρβ需要满足以下条件：
最后，根据原边电流、原边电流参考信号、滑模面模型以及扰动观测器确定交错反激式微逆变器的滑模控制律，以通过滑模控制律实现交错反激式微逆变器原边电流的均流控制。稳定的控制律(Barbalat’Lemma)表达式如下：
式中，矩阵K＝diag(K1，K2，K3)是正定反馈增益矩阵。
将公式(7)代入公式(9)中，可以得到变换后的同步滑模型控制律u：
式中，F-1是F的广义逆矩阵。
从公式(10)中可以看出，滑模控制律u由和(kp，smc+ki，smc/s)两项构成，第一项为前馈，用来提高系统跟踪带宽，抑制扰动，矩阵A和B可以通过系统参数计算得到。第二项为PI增益，只有kp,smc和ki,smc参数需要设计。因此，将多PI控制器设计问题转换为单PI控制器设计，降低了设计的复杂度。
为了验证本发明提出的滑模均流控制方法的有效性和可行性，在MATLAB/Simulink(2016b)仿真环境下，与PI均流控制器的动态性能进行对比分析。设计了一台额定功率250W的DCM交错反激并网微逆变器，每台反激电路的额定功率为125W，光伏输出电压范围为20V～55V。表1中给出了系统参数，其中，变压器副边电感为216uH，参数P0表示交错反激式并网微逆变器的额定功率。
表1系统参数
参数 数值 参数 数值
Cpv 11mF Rp1，Rp2 0.15Ω
Lm1，Lm2 6μH Rs1，Rs2 0.05Ω
Cf 0.68μF Rf 0.29Ω
Lf 600μH Vg 220V
n 6 fg 50Hz
fs 100kHz P0 250W
使用本发明提出的滑模控制律u公式(9)，参数A，B可以由系统参数计算得到。kp,smc和ki,smc分别等于F-1λ-1K和ρβ。保证系统满足一致收敛性，F-1λ-1K和ρβ可以由ρ＝I，β1＝0.08，β2＝0.08，λ＝I，K＝I参数中获得，其中I是单位矩阵。
本发明分别在以下两个案例条件下进行对比分析。输出等效电压Vrms满足220V。
第一个案例：第一变换器和第二变换器间的参数相同。t＝0.06s，输出功率Pout从200W(80％P0)降低至125W(50％P0)。
图3显示了根据本发明的一个实施例的基于交错反激式微逆变器的滑模均流控制方法进行均流控制后输出的并网电流波形。包含输出电流iac和参考信号iac_ref的波形。如图3所示两个电流的波形几乎完全重合。
当输出功率从80％P0变化到50％P0时。输出电流有效值在0.908A～0.565A范围内，在图3中仅看到较小的瞬态电流。采用FFT分析输出波形的总谐波畸变(THDs)可知，当0.02≤t≤0.06，输出电流THD为2.97％，当0.06s<t≤0.1s，输出电流THD为2.45％。
仿真结果表明，本发明对于解决扰动造成的输出不平衡具有较强鲁棒性。与PI控制器相比，输出电流iac具有较低的THDs。
第二个案例：第一变换器和第二变换器间的参数不一致，表2给出了不同的系统参数。t＝0.06s，输出功率Pout从200W(80％P0)降低至125W(50％P0)。
表2系统的不同参数
参数 数值 参数 数值 参数 数值
Lm1/μH 2.89 Rp1/Ω 0.15 Rs1/Ω 0.051
Lm2/μH 3 Rp2/Ω 0.18 Rs2/Ω 0.085
Ls1/uh 104 Ls2 111.63 - -
图4显示了根据本发明的另一个实施例的基于交错反激式微逆变器的滑模均流控制方法进行均流控制后输出的并网电流波形。描述了输出电网电流iac的波形。当输出功率下降到125W时，输出电流呈现较小的瞬态振荡。通过FFT分析，当0.02＜t＜0.06时，输出电流的THD为3.44％；当0.06＜t＜0.1s时，输出电流的THD为2.83％。图4的结果表明，当参数不平衡时，本发明提供的方法具有很好的鲁棒性。
图5显示了根据本发明的一个实施例的基于交错反激式微逆变器的滑模均流控制方法进行均流控制后的原边电流波形。图5展现了原边电流im1和im2的波形。
从仿真结果可知，两个变换器输出的原边峰值电流差较小，约为0.05A。综上分析可知，滑模均流控制方法能很好地实现电流均分，避免了其中一个变换器过载，从而导致系统的效率和可靠性降低，甚至导致硬件的使用寿命减少。
图6显示了根据本发明的一个实施例的基于交错反激式微逆变器的滑模均流控制方法进行均流控制后的电流均分误差。从图中可知，两个控制器的电流共享误差几乎可以忽略不计。
综上分析可知，提出的滑模均流控制方法对于解决由耦合、参数不一致和扰动造成的输出不平衡问题具有良好的鲁棒性。无论参数是否相同，都能有效地跟踪正弦参考，实现电流均分。除此以外，当负载功率发生改变时，提出的滑模控制方法具有较强的抗干扰能力。同时，通过提出的滑模均流控制方法的输出电流iac的THDs值相对较低。
本发明提供的基于交错反激式微逆变器的滑模均流控制方法能够很好的实现电流均分，避免了某一变换器过载而引起的系统效率以及可靠性的降低。对于由耦合、参数不一致和扰动造成的输出不平衡问题有很好的鲁棒性，无论参数是否相同，都能有效地实现电流均分。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于交错反激式微逆变器的滑模均流控制方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：
基于所述交错反激式微逆变器的原边电流参考信号以及原边电流构建滑模面模型；
对所述滑模面模型进行积分变换，根据积分变换后的滑模面模型得到扰动观测器；
根据所述原边电流、所述原边电流参考信号、所述滑模面模型以及所述扰动观测器确定所述交错反激式微逆变器的滑模控制律，以通过所述滑模控制律实现所述交错反激式微逆变器原边电流的均流控制。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，构建滑模面模型的步骤中，包含以下步骤：
根据所述交错反激式微逆变器的原边电流参考信号以及原边电流得到电流跟踪误差；
基于所述电流跟踪误差得到误差矢量，根据所述误差矢量构建所述滑模面模型。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述交错反激式微逆变器包含第一变换器以及第二变换器共两个变换器时，通过以下公式得到误差矢量：
e＝[e1 e2]T
e1＝I1ref-im1
e2＝I2ref-im2
其中，e表示所述误差矢量，e1以及e2分别表示所述第一变换器以及所述第二变换器的电流跟踪误差，I1ref以及I2ref分别表示所述第一变换器以及所述第二变换器的原边电流参考信号，im1以及im2分别表示所述第一变换器以及所述第二变换器的原边电流。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述误差矢量以及传输矩阵计算得到误差矩阵，通过所述误差矩阵构建所述滑模面模型。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算得到所述误差矩阵：
[e1 e2 α]T＝Fe
α＝e1-e2
其中，[e1 e2 α]T表示所述误差矩阵，F表示所述传输矩阵，α表示电流均分误差。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，通过以下公式确定所述滑模面模型：
S＝λFe
其中，S表示滑模面模型，λ表示滑模系数矩阵。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，通过观测增益对角矩阵、系数矩阵以及所述滑模面模型确定所述扰动观测器。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，通过以下公式确定所述扰动观测器：
其中，表示所述扰动观测器，ρ表示所述观测增益对角矩阵，β表示系数矩阵，S表示所述滑模面模型。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，根据所述原边电流参考信号、所述原边电流、所述扰动观测器、所述传输矩阵、所述滑模系数矩阵以及所述滑模面模型确定所述交错反激式微逆变器的滑模控制律。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过以下公式确定所述交错反激式微逆变器的滑模控制律：
Iref＝[I1ref I2ref]T
其中，u表示所述滑模控制律，A表示第一矩阵，B表示第二矩阵，x表示矩阵[im1 im2]T，K表示正定反馈增益矩阵。
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