CN209448666U - 基于交错反激式逆变器的滑模均流控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了基于交错反激式逆变器的滑模均流控制系统，其包括：误差计算器，其连接在交错反激式逆变器上，用于根据交错反激式逆变器中变压器的原边电流以及原边电流参考信号计算电流误差，用以构建滑模面模型；线性控制器，其与误差计算器连接，用于对滑模面模型进行比例调节以及积分调节；前馈补偿器，其与线性控制器以及交错反激式逆变器连接，用于提高系统跟踪带宽，抑制扰动。本实用新型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

基于交错反激式逆变器的滑模均流控制系统

技术领域

本实用新型涉及输出控制技术领域，具体地说，涉及一种基于交错反激式逆变器的滑模均流控制系统。

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，进而影响逆变器的动态性能。

因此，本实用新型提供了一种基于交错反激式逆变器的滑模均流控制系统。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供了一种基于交错反激式逆变器的滑模均流控制系统，所述系统包括：

误差计算器，其连接在交错反激式逆变器上，用于根据所述交错反激式逆变器中变换器的原边电流以及原边电流参考信号计算电流误差，用以构建滑模面模型；

线性控制器，其与所述误差计算器连接，用于对所述滑模面模型进行比例调节以及积分调节；

前馈补偿器，其与所述线性控制器以及所述交错反激式逆变器连接，用于提高系统跟踪带宽，抑制扰动。

根据本实用新型的一个实施例，当所述交错反激式逆变器包含第一变换器以及第二变换器共两个变换器时，所述误差计算器包含：

电流跟踪误差计算单元，其用于计算所述第一变换器的第一电流跟踪误差以及所述第二变换器的第二电流跟踪误差；

电流均分误差计算单元，其与所述电流跟踪误差计算单元连接，用于根据所述第一电流跟踪误差以及所述第二电流跟踪误差计算得到电流均分误差。

根据本实用新型的一个实施例，所述电流跟踪误差计算单元通过以下公式计算所述第一电流跟踪误差以及所述第二电流跟踪误差：

e₁＝I_1ref-i_m1

e₂＝I_2ref-i_m2

其中，e₁以及e₂分别表示所述第一电流跟踪误差以及所述第二电流跟踪误差，I_1ref以及I_2ref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， i_m1以及i_m2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。

根据本实用新型的一个实施例，所述电流均分误差计算单元通过以下公式计算所述电流均分误差：

α＝e1-e₂

其中，α表示所述电流均分误差。

根据本实用新型的一个实施例，所述系统还包含：

误差矩阵单元，其与所述电流均分误差计算单元连接，用于根据所述第一电流跟踪误差以及所述第二电流跟踪误差计算得到误差矩阵。

根据本实用新型的一个实施例，所述系统还包含：

滑模面模型单元，其与所述误差矩阵单元连接，用于根据所述误差矩阵构建滑模面模型。

根据本实用新型的一个实施例，所述滑模面模型单元通过以下公式构建所述滑模面模型：

e＝[e₁ e₂]^T

[e₁ e₂ α]^T＝Fe

S＝λFe

其中，e表示误差矢量，[e₁ e₂ α]^T表示所述误差矩阵，F表示传输矩阵，S 表示所述滑模面模型，λ表示滑模系数矩阵。

根据本实用新型的一个实施例，所述线性控制器包含：

比例调节单元，其与所述误差计算器连接，用于对所述滑模面模型进行比例调节；

积分调节单元，其与所述误差计算器连接，用于多所述滑模面模型进行积分调节。

根据本实用新型的一个实施例，所述前馈补偿器包含：

参数计算单元，其与所述交错反激式逆变器连接，用于根据所述交错反激式逆变器的参数计算所述前馈补偿器的补偿参数；

原边电流矩阵单元，其与所述交错反激式逆变器连接，用于根据所述原边电流构建所述原边电流矩阵；

原边电流参考信号矩阵单元，其与所述交错反激式逆变器，用于根据所述原边电流参考信号构建所述原边电流参考信号矩阵。

根据本实用新型的一个实施例，所述前馈补偿器的输出端还连接脉宽调制器。

本实用新型提供的基于交错反激式微逆变器的滑模均流控制系统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。

本实用新型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，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型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

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例共同用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1显示了根据本实用新型的一个实施例的交错反激式微逆变器接入电网的电路图；

图2显示了根据本实用新型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系统结构框图；

图3显示了根据本实用新型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系统进行电流均分控制的结构框图；

图4显示了根据本实用新型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系统进行电流均分控制的流程图；

图5显示了根据本实用新型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系统进行均流控制后输出的并网电流波形；

图6显示了根据本实用新型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系统进行均流控制后输出的并网电流波形；

图7显示了根据本实用新型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系统进行均流控制后的原边电流波形；以及

图8显示了根据本实用新型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系统进行均流控制后的电流均分误差。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，借此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本实用新型中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本实用新型的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本实用新型实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本实用新型可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

图1显示了根据本实用新型的一个实施例的交错反激式微逆变器接入电网的电路图。如图1所示交错反激式微逆变器包含第一变换器组101、第二变换器组 102、H桥逆变电路(M₁～M₄)103和EMI或EMC模块104，在实际的应用中， 104可以为CL输出滤波电路。交错反激式微逆变器连接单相交流电网105。

如图1所示，交错反激式微逆变器由解耦电容C_PV、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：v_pv为光伏板电压；n为变压器匝比；L_m1、L_m2分别为两个变压器原边励磁电感；i_m1、i_m2分别为两个变压器原边电流；i_s1、i_s2分别为两个变压器副边电流；L_f为滤波电感；C_f为滤波电容；v_ac为滤波电感电压；i_ac为并网电流； v_g为电网电压。R_p1，R_p2为变压器原边励磁电感的寄生电阻，R_s1、R_s2为变压器副边励磁电感的寄生电阻，R_f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，本实用新型做如下假设：

第一：直流侧解耦电容C_pv足够大，忽略C_pv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，A_DCM，B_DCM和W_DCM的详细描述如下：

本实用新型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。

图2显示了根据本实用新型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系统结构框图。如图2所示，系统200包含误差计算器201、线性控制器 202以及前馈补偿器203。

误差计算器201连接在交错反激式逆变器上，用于根据交错反激式逆变器中变换器的原边电流以及原边电流参考信号计算电流误差，用以构建滑模面模型。

当交错反激式逆变器包含第一变换器以及第二变换器共两个变换器时，误差计算器包含：电流跟踪误差计算单元以及电流均分误差计算单元。

电流跟踪误差计算单元用于计算第一变换器的第一电流跟踪误差以及第二变换器的第二电流跟踪误差。电流均分误差计算单元与电流跟踪误差计算单元连接，用于根据第一电流跟踪误差以及第二电流跟踪误差计算得到电流均分误差。

根据本实用新型的一个实施例，系统还包含：误差矩阵单元以及滑模面模型单元。误差矩阵单元与电流均分误差计算单元连接，用于根据第一电流跟踪误差以及第二电流跟踪误差计算得到误差矩阵。滑模面模型单元与误差矩阵单元连接，用于根据误差矩阵构建滑模面模型。

线性控制器202与误差计算器201连接，用于对滑模面模型进行比例调节以及积分调节。根据本实用新型的一个实施例，线性控制器包含：比例调节单元以及积分调节单元。比例调节单元与误差计算器连接，用于对滑模面模型进行比例调节。积分调节单元与误差计算器连接，用于多滑模面模型进行积分调节。

前馈补偿器203与线性控制器202以及交错反激式逆变器连接，用于提高系统跟踪带宽，抑制扰动。根据本实用新型的一个实施例，前馈补偿器包含：参数计算单元、原边电流矩阵单元以及原边电流参考信号矩阵单元。

参数计算单元与交错反激式逆变器连接，用于根据交错反激式逆变器的参数计算前馈补偿器的补偿参数。原边电流矩阵单元与交错反激式逆变器连接，用于根据原边电流构建原边电流矩阵。原边电流参考信号矩阵单元与交错反激式逆变器，用于根据原边电流参考信号构建原边电流参考信号矩阵。

根据本实用新型的一个实施例，前馈补偿器的输出端还连接脉宽调制器。

如图2所示，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的过程可以是：将公式(1)改写成以下形式：

式中，x＝[i_m1 i_m2]^T，u＝[d_{on_1} d_{on_2}]^T，x表示原边电流矩阵，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：

e_1＝I_1ref–i_m1

e_2＝I_2ref–i_m2 (3)

式中，I_1ref和I_2ref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，I_ref是原边电流参考信号矩阵，等于[I_1ref I_2ref]^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，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(k_p,smc+k_i,smc/s)两项构成，第一项为前馈补偿部分，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。第二项是线性控制部分，为PI增益，只有k_p,smc和 k_i,smc参数需要设计。

图3显示了根据本实用新型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系统进行电流均分控制的结构框图。在实际的应用中，可以在单相交流电网处设置电压检测装置301，在电压检测装置301后连接锁相环302。前馈补偿 203的输出端连接脉宽调制器303。

通过如图3所示的系统能够对单相交流电网105的电压进行检测，并对交错反激式逆变器的原边电流进行控制，调节开关Q1以及Q2的占空比，达到均分电流的目的。图4显示了根据本实用新型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系统进行电流均分控制的流程图。

首先计算输入功率，输入功率等于平均输入电压乘以平均输入电流。然后，计算电压差值(deltaV)。电压差值等于平均输入电压减去前时刻平均输入电压。接着，判断输入功率是否大于前时刻输入功率。

如果输入功率大于前时刻输入功率，则进入调节占空比模式。接着判断电压差值是否大于零。如果电压差值大于零，则将Iref增加；如果电压差值不大于零，则将Iref减小。

如果输入功率不大于前时刻输入功率，则进入调节占空比模式。接着判断电压差值是否大于零。如果电压差值大于零，则将Iref减小；如果电压差值不大于零，则将Iref增加。

通过以上占空比调节，能够达到输入功率等于前时刻输入功率。平均输入电压等于前时刻平均输入电压。

为了验证本实用新型提出的滑模均流控制系统的有效性和可行性，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
				C<sub>pv</sub>	11mF	R<sub>p1</sub>，R<sub>p2</sub>	0.15Ω
L<sub>m1</sub>，L<sub>m2</sub>	6μH	R<sub>s1</sub>，R<sub>s2</sub>	0.05Ω
				C<sub>f</sub>	0.68μF	R<sub>f</sub>	0.29Ω
L<sub>f</sub>	600μH	V<sub>g</sub>	220V
				n	6	f<sub>g</sub>	50Hz
f<sub>s</sub>	100kHz	P<sub>0</sub>	250W

使用本实用新型提出的滑模控制律u公式(9)，参数A，B可以由系统参数计算得到。k_p,smc和k_i,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。

本实用新型分别在以下两个案例条件下进行对比分析。输出等效电压V_rms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P_out从200W(80％P₀)降低至125W(50％P₀)。

图5显示了根据本实用新型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系统进行均流控制后输出的并网电流波形。包含输出电流i_ac和参考信号 i_{ac_ref}的波形。如图5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5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，本实用新型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i_ac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P_out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
						L<sub>m1</sub>/μH	2.89	R<sub>p1</sub>/Ω	0.15	R<sub>s1</sub>/Ω	0.051
L<sub>m2</sub>/μH	3	R<sub>p2</sub>/Ω	0.18	R<sub>s2</sub>/Ω	0.085
						L<sub>s1</sub>/uh	104	L<sub>s2</sub>	111.63	-	-

图6显示了根据本实用新型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系统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i_ac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6的结果表明，当参数不平衡时，本实用新型提供的系统具有很好的鲁棒性。

图7显示了根据本实用新型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系统进行均流控制后的原边电流波形。图7展现了原边电流i_m1和i_m2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，滑模均流控制系统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8显示了根据本实用新型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系统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系统对于解决由耦合、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，提出的滑模控制系统具有较强的抗干扰能力。同时，通过提出的滑模均流控制系统的输出电流 i_ac的THDs值相对较低。

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实用新型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。

虽然上述示例用于说明本实用新型在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本实用新型的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本实用新型由所附的权利要求书来限定。

Claims (10)

1.一种基于交错反激式逆变器的滑模均流控制系统，其特征在于，所述系统包括：

误差计算器，其连接在交错反激式逆变器上，用于根据所述交错反激式逆变器中变换器的原边电流以及原边电流参考信号计算电流误差，用以构建滑模面模型；

线性控制器，其与所述误差计算器连接，用于对所述滑模面模型进行比例调节以及积分调节；

前馈补偿器，其与所述线性控制器以及所述交错反激式逆变器连接，用于提高系统跟踪带宽，抑制扰动；

其中，通过滑模控制律u实现所述交错反激式逆变器原边电流的均流控制，A表示原边电流参考信号系数矩阵，I_ref表示原边电流参考信号矩阵，B表示原边电流系数矩阵，x表示原边电流矩阵，S表示所述滑模面模型，k_p,smc表示比例调节系数，k_i,smc/s表示积分调节系数，所述前馈补偿器根据进行设计，所述线性控制器根据(k_p,smc+k_i,smc/s)进行设计。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述交错反激式逆变器包含第一变换器以及第二变换器共两个变换器时，所述误差计算器包含：

电流跟踪误差计算单元，其用于计算所述第一变换器的第一电流跟踪误差以及所述第二变换器的第二电流跟踪误差；

电流均分误差计算单元，其与所述电流跟踪误差计算单元连接，用于根据所述第一电流跟踪误差以及所述第二电流跟踪误差计算得到电流均分误差。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述电流跟踪误差计算单元通过以下公式计算所述第一电流跟踪误差以及所述第二电流跟踪误差：

e₁＝I_1ref-i_m1

e₂＝I_2ref-i_m2

其中，e₁以及e₂分别表示所述第一电流跟踪误差以及所述第二电流跟踪误差，I_1ref以及I_2ref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，i_m1以及i_m2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所述的系统，其特征在于，所述电流均分误差计算单元通过以下公式计算所述电流均分误差：

α＝e₁-e₂

其中，α表示所述电流均分误差。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统还包含：

误差矩阵单元，其与所述电流均分误差计算单元连接，用于根据所述第一电流跟踪误差以及所述第二电流跟踪误差计算得到误差矩阵。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包含：

滑模面模型单元，其与所述误差矩阵单元连接，用于根据所述误差矩阵构建滑模面模型。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述滑模面模型单元通过以下公式构建所述滑模面模型：

e＝[e₁ e₂]^T

[e₁ e₂ α]^T＝Fe

S＝λFe

其中，e表示误差矢量，[e₁ e₂ α]^T表示所述误差矩阵，F表示传输矩阵，S表示所述滑模面模型，λ表示滑模系数矩阵。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述线性控制器包含：

比例调节单元，其与所述误差计算器连接，用于对所述滑模面模型进行比例调节；

积分调节单元，其与所述误差计算器连接，用于多所述滑模面模型进行积分调节。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述前馈补偿器包含：

参数计算单元，其与所述交错反激式逆变器连接，用于根据所述交错反激式逆变器的参数计算所述前馈补偿器的补偿参数；

原边电流矩阵单元，其与所述交错反激式逆变器连接，用于根据所述原边电流构建原边电流矩阵；

原边电流参考信号矩阵单元，其与所述交错反激式逆变器，用于根据所述原边电流参考信号构建原边电流参考信号矩阵。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述前馈补偿器的输出端还连接脉宽调制器。