模糊变结构控制的光伏并网功率调节系统

季延娥，孙玉坤，蔡纪鹤

(江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江212013)

模糊变结构控制的光伏并网功率调节系统

季延娥，孙玉坤，蔡纪鹤

(江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江212013)

光伏并网功率调节系统(PVPCS)集并网发电、无功补偿和谐波抑制为一体，对改善电能质量、减少功率损耗和提高系统利用率有重要作用。在分析了系统工作原理、瞬时无功检测、并网电流合成以及并网电流跟踪控制的理论基础上，研究了基于模糊变结构控制的PVPCS的设计方法。针对含PVPCS的单机无穷大系统进行电力系统暂态仿真，与常规PI控制进行比较验证。研究结果表明:该系统在光伏并网发电的同时能够快速稳定直流侧电容电压，有效抑制电网谐波，很好地对无功进行补偿，具有较强的鲁棒性和适应性，提高了系统利用率。

谐波分析;无功补偿;模糊变结构控制;光伏并网

1 引言

在全球出现能源紧缺的今天，可再生能源的利用引起了广泛的重视。太阳能技术进入了快速发展的阶段，光伏并网发电成为人们利用太阳能的最主要途径［1，2］。谐波抑制和无功补偿对改善电网品质、提高电能利用率、保持电力系统的稳定性具有重要意义［3］。光伏并网功率调节系统(Photo Voltaic Power Conditioning System，PVPCS)在结构上和静止无功补偿器(STATCOM)基本相同，其特点是将无功补偿、谐波抑制和光伏发电相结合，可以实现在对电网进行有功传送的同时，进行谐波和无功的补偿［4，5］。

滑模变结构控制(SMC)是一种特殊的非线性控制策略，它无需精确的对象模型，根据系统当前的状态，以跃变的控制方式迫使系统沿设定的“滑动模态”运动。实践证明，SMC具有响应速度快、对参数及外加干扰不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等许多本质上的优点［6，7］。

在强非线性、变结构、变参数的电力系统环境下，常规PI控制不足以使PVPCS在广阔的电力系统运行空间内发挥出理想的控制效果。本文结合模糊控制，针对含PVPCS的单机无穷大系统，设计了一种非线性复合模糊变结构控制器(FSMC)，对系统中的谐波抑制和无功补偿进行进一步优化。它兼顾了二者的优点，削弱了滑模控制的稳态抖振，并且有效消除了模糊控制的调节死区。基于此搭建了PVPCS仿真模型，其与传统PI控制相比性能更高，并通过仿真和实验证明了其有效性。

2 系统结构

系统结构框图如图1所示。光伏电池经DC/ DC升压后，由DC/AC变换输送给电网。逆变器直流侧的电能通过FSMC以有功电流的形式输出，同时检测负载电流谐波和负载无功电流，经指令电流运算后，得到光伏并网电流指令值，最后与逆变电流采样反馈值合成，电流控制单元完成谐波抑制和对负载电流补偿功能，实现了补偿电流跟踪的快速性，保证了供电质量。

3 并网电流合成

本文在文献［5］的基础上对系统的无功、谐波补偿进一步进行优化，并网电流合成如图2所示。

图2中，ia、ib、ic为三相瞬时电流，ica、icb、icc为并网电流的参考值，iLp为负载电流的有功分量经LPF得到基波有功电流。

图1 光伏并网功率调节系统结构框图Fig．1Structure of PVPCS

图2 并网电流结构图Fig．2Composition of grid-connecting current

式(2)中，前一项是负载中谐波和无功指令电流，后一项是直流侧三相基波电流，包括光伏有功分量。指令电流通过逆变器向电网中注入与ica、icb、icc幅值相等、极性相反的补偿电流，达到了在光伏发电的同时对电网进行无功补偿与谐波抑制的目的。

因锁相环PLL锁住了a相电压sinωt和－cosωt，所以检测出的谐波和无功电流结果不受电源电压是否有畸变的影响，该方法具有很好的实时性。

4 模糊变结构控制器设计

滑模变结构控制是控制系统的一种综合方法，它分为以下两个步骤［6］:

(1)求切换函数S(x)，使切换面S(x)=0上的滑动模态渐近稳定而且具有良好的动态特性。

(2)求变结构控制u±(x)，使任一运动于有限时间内到达切换面。

研究图3所示的单机无穷大系统［8］，PVPCS通过连接变压器安装在传输线的中点。

图3 PVPCS并联接入单机无穷大系统Fig．3Single-machine infinite bus system with PVPCS

图3中，E'q为发电机的暂态电抗x'd后电动势的q轴分量;Um为接入点A的母线电压;x1为计及xd从发电机到点A的总电抗;x2为点A到无穷大母线的电抗;C为直流侧电容;x为装置等效电抗;E'q和无穷大系统电压Us之间相角差为δ;Um和Us之间相角差为δ－θ。假设Pe为发电机发出功率;Pm为发电机机械功率;H为发电机惯性常数;D为阻尼系数;ω0为同步角速度;δ0、θ0、Um0分别为δ、θ、Um的初始值。Is为光伏发电系统输出的无功补偿电流;T为惯性时间常数;K为调节器比例控制系数;u为控制输入量。则含PVPCS的单机无穷大系统的数学模型为:

只考虑附加信号的作用，将式(3)写成标准仿射非线性系统形式，即

式中

对控制信号u采用变结构控制方式设计，对式(3)运用直接线性化理论，得:

在此变换下，式(3)变为:

式中

式(6)为一相变量形式的线性系统，则可采用线性切换函数来设计滑模变结构控制器。

取切换函数:

式中，λ1、λ2为滑动模态的极点，可以从理论上确保控制器的鲁棒性。

对式(7)求导，得切换函数的变化率:

滑模变结构控制方法鲁棒性强，动态性能好。本文引入模糊控制方法实现变结构控制规律，由模糊推理得出的控制量不但能有效地削弱滑模变结构控制趋于稳态时的“抖振”现象，而且控制器中引入了模糊逻辑推理机制，使FSMC控制器在复杂多变、不确定的非线性电力系统中具有更好的控制效果和更高的鲁棒性。

设计的模糊变结构控制器结构如图4(a)所示。采用模糊控制方法实现变结构控制规律，将滑模切换函数s和其变化率s在模糊集论域［－6，6］上非均匀离散模糊化，作为模糊控制的输入，定义7个模糊子集，设计了如表1所示的模糊推理规则，满足滑模变结构的广义滑模存在条件s＜0。表1所示为不同模糊子集下U的推理规则。

图4 PVPCS控制器结构Fig．4Controller structure of PVPCS

表1 FSMC模糊控制规则表Tab．1Fuzzy control rules of FSMC

5 系统仿真结果

采用MATLAB软件对图3所示的单机无穷大系统进行暂态仿真，为了对比分析FSMC控制方式对提高电力系统稳定性的效果，实验中设计了PVPCS常规PI控制器结构，如图4(b)所示，并对基于FSMC的PVPCS运行进行仿真分析，验证其有效性和控制效果，仿真电路参数如表2所示，仿真结果如图5和图6所示。

由图5可知，从发电机到光伏系统注入点A的线路中点处，在t=10.5s发生三相短路故障，0.15s后系统恢复正常运行。FSMC控制可以使接入点交流电压迅速恢复到稳定值，提高了电压质量;同时发电机-无穷大系统的阻尼增强，有效消除了电压调节的静差，过渡时间也相应缩短，从而减小了控制系统趋于稳态时的抖动，整个系统表现出良好的跟随性和较强的鲁棒性。仿真结果充分验证了该控制器的有效性。

表2 仿真电路参数Tab．2Simulation circuit parameters

图5 仿真结果曲线Fig．5Simulation curves

由于三相系统和负载都是对称的，因此仿真结果仅以A相分析为例。由图6不难看出，在0.01s前电网谐波得到了很好的抑制，与此同时系统的无功得到了补偿，当电容充电到额定电压时，系统渐渐达到稳定，大约在0.01s后并网电流与电网电压同频同相，补偿后的波形得到了明显的改善，达到了整个并网的要求。

6 结论

本文应用模糊变结构控制理论，设计了能同时改善单机-无穷大系统的暂态稳定性能、维持节点电压和抑制闪变的FSMC控制器。PVPCS在稳态运行时，具有消除谐波和补偿无功功率的功能，实现了有功功率和无功功率的连续动态调节，该控制系统比常规PI控制更加稳定，鲁棒性更强，易于工程实现，提高了系统的利用率。本文的研究可为PVPCS系统级控制器的进一步研究设计提供一定的借鉴。

图6 系统仿真结果波形Fig．6Waveforms of system simulation result

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(，cont．on p.59)(，cont．from p.23)

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Photovoltaic grid-connected power conditioning system based on fuzzy sliding mode variable-structure control

JI Yan-e，SUN Yu-kun，CAI Ji-he
(Institute of Electrical and Information Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

When integrated with the function of active power output，harmonic and reactive power compensation，PV grid-connected power conditioning system(PVPCS)is helpful to improve power quality and efficiency of the system．Its working principle and instantaneous reactive power theory are analyzed．Combination of grid-connected current and current tracking is also discussed．PVPCS based on fuzzy sliding variable-structure control(FSMC)is studied and the transient simulation in single machine infinite bus system is compared with traditional PI control．Research results show that this system can effectively optimize the reactive and harmonic compensation while stabilizes the DC capacitor voltage and with better robustness and adaptability．Efficiency of the system is improved．

harmonic analysis;reactive power compensation;fuzzy sliding mode variable-structure control;PV grid-connection

TM615

A

1003-3076(2014)12-0020-04

2012-09-07

国家自然科学基金(61074019)、江苏高校优势学科建设工程(苏政办发［2011］6号)、江苏省普通高校研究生科研创新计划(CX10B_267Z;CXZZ12_0686)资助项目

季延娥(1987-)，女，江苏籍，硕士研究生，研究方向为电能质量及光伏并网技术;孙玉坤(1958-)，男，江苏籍，教授，博导，研究方向为电力电子、光伏并网、运动控制和电能质量控制。