基于准滑模控制的光伏并网系统

王　璇，史敬灼

(1.洛阳理工学院电气工程与自动化系，河南洛阳471023；2.河南科技大学电气工程学院，河南洛阳471023)

基于准滑模控制的光伏并网系统

王璇1，史敬灼2

(1.洛阳理工学院电气工程与自动化系，河南洛阳471023；2.河南科技大学电气工程学院，河南洛阳471023)

光伏发电系统的并网控制是新能源领域的研究热点，而保持电网功率最大输出和并网稳定性则是该系统的核心问题。针对以上问题，进行了最大功率点跟踪(maximum power point tracking，简称MPPT)算法控制DC/DC电路的方案选择，并且提出了一种准滑模控制策略对逆变器进行控制。基于理论分析及设计，最终搭建实验平台进行实验研究。

光伏系统；最大功率点跟踪；准滑模；并网；逆变器

在太阳能发电系统中，光照、位置环境和温度等各种因素都会造成光伏板输出功率的变化，如何使太阳电池达到最大功率输出是一直以来广泛受到重视的问题，即太阳电池的最大功率点跟踪问题。在智能电网时代，各种分布式能源的并网可以缓解供电压力，也可以对生态环境的改善有一定帮助。但各种分布式能源的并网也会影响到电网的稳定和电网质量，因此在光伏并网系统研究中如何使并网功率因数达到1，也成为了广泛关注的问题[1]。

本论文主要针对以上两个问题进行研究并设计出光伏并网系统，对于MPPT的最优方案选择以仿真的形式进行讨论和验证，而在逆变器的控制中引入滑模控制理论，并根据实验条件提出准滑模控制方式，最终通过搭建实验平台来验证该算法在系统中的可行性。

1　系统电路拓扑结构设计及控制概述

单相光伏并网系统中最主要的两个部分是DC/DC升压电路和DC/AC逆变并网电路。在本次设计中升压电路采用单相BOOST变换电路，逆变并网电路采用双极性控制，并在该控制中引入准滑模控制策略，其系统结构图如图1所示。

图1中缩写单词的中英文全称为：最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)；比例积分(proportion integration，PI)；脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)。

该光伏系统设计中为了达到高效功率输出和稳定并网运行的目的，在DC/DC部分加入最大功率跟踪控制算法，而在DC/AC部分加入准滑模控制策略。

图1　单相光伏并网结构图

2　太阳电池仿真建模

2.1太阳电池数学模型

太阳电池发电的基本原理是光生伏打效应[2]，也就是应用P-N结的光伏效应将太阳的光能转变成电能。太阳电池的等效电路如图2所示。

图2　太阳电池的等效电路模型

2.2太阳电池仿真模型

在本次仿真中，因为需要能够反映外界光照和温度的变化，模拟出在不同太阳辐射强度、环境温度时的实时变化的情况，故选用基于物理特性建立的模型，虽然这一模型较为复杂，但其能得出较高精度的仿真结果。

参照Siemens公司生产的型号为SP75的光伏阵列，它由36个单结晶硅太阳电池串联而成。该太阳电池组件的特性方程为：

建立太阳电池的MATLAB/Simulink仿真模型，如图3所示。

图3　太阳电池输出特性仿真模型

3　最大功率点跟踪方法及仿真

最大功率点跟踪(MPPT)是指通过控制使太阳电池能够尽量趋近于最大功率点的跟踪过程。由于影响太阳电池内阻的两个因素：日照强度和环境温度均是一直变化的，从而使得其输出功率不稳定。目前，对于最大功率点跟踪方法的研究比较多，很多文献都提出了不同的MPPT方法，但是最常用的还是恒电压控制法、干扰观测法、电导增量法。

3.1MPPT算法的仿真模型建立

恒电压跟踪法(CVT)在设计时只考虑到光照强度对太阳电池阵列开路电压的影响，使得恒电压控制方式下功率跟踪的结果会出现严重偏差，在实际应用中局限性太大，因此本文不对该方法在MATLAB/Simulink中进行仿真和比较。

干扰观测法以一种渐进的，并在最大功率点附近较小的范围内以往复振荡的运行状态来向该点搜寻靠近，最后达到动态平衡。对该策略建立的MATLAB仿真系统建模如图4所示。电导增量法是建立在太阳电池电导变化量的比较分析上，最终实现最大功率点跟踪的一种控制方法。采用与干扰观测法一样的平台进行仿真，在MATLAB/Simulink平台建立电导增量法的控制模型，将其对电压扰动改为对占空比的操作[5]，如图5所示。

图4　占空比干扰观测法仿真模型

图5　电导增量法仿真模型

3.2仿真结果及分析

设定占空比调整步长dD为0.007，零阶保持器采样周期为0.007 s。先将该模型与前述太阳电池模块和负载模块连接，然后考虑环境温度参数dT和光照强度参数dS，通过乘法模块将太阳电池输出电流值和电压值进行乘法计算，所得结果通过示波器输出波形，即太阳电池输出功率。设定光照强度从500 W/m2上升到1 000 W/m2，然后温度从25℃上升到65℃，干扰观测法和电导增量法的仿真模型功率输出曲线分别如图6、图7所示。

由以上分析可知，电导增量法较干扰观测法和恒电压控制法有更好的控制精确度，响应速度快，而且稳态的振荡也比扰动观测法小，能较好地跟踪最大功率点，适用于大气条件变化较快的场合，还避免了扰动观测法的盲目调节过程，但是它对控制系统的硬件要求较高，所以造价也相对高一些。根据以上分析本系统采用电导增量法[6]。

图6　占空比干扰观测法功率变化曲线

图7　电导增量法功率变化曲线

4　基于滑模变控制的光伏并网逆变

基于变结构系统理论的滑模控制具有受参数变化及扰动影响较小，响应快速，系统不用考虑在线辨识功能，良好的动态特性等优点，可以用于对逆变器这类固有的变结构系统。

4.1光伏并网逆变器的基本拓扑结构

本系统采用了通常用的双极性控制方式如图1所示。这种方式的特点是：S1、S4和S2、S3分别组成一组开关，两组开关交替通断，即S1、S4同时导通时，S2、S3必须同时关断，反之亦然[7]。由此根据基尔霍夫定律或者拉格朗日动力学方程可以得到：

将(3)(4)合并得：

式中：u为负载电压；UD为直流侧电压。

其中，规定当S1、S4通，S2、S3断时γ=1，当S1、S4断，S2、S3通时γ=－1。另外，通过分析逆变电路的工作原理，我们还可以确定出ID与式IL2的逻辑关系：

当IL2≥0，γ=1时：ID=IL2；IL2≥0，γ=－1时：ID=－IL2。

当IL2＜0，γ=1时：ID=－IL2；当IL2＜0，γ=－1时：ID=IL2。

由此可知ID可以用一个符号函数sgn(IL2∩γ)与IL2的乘积来表示：

式中：ID为直流侧电流；IL2为负载电流。

4.2准滑模控制策略

将滑模控制策略应用于逆变器控制中显然可以满足对于鲁棒性和响应速度的要求，但在本次研究中由于考虑到器件开关频率的限制以及研究条件的限制，没有办法实现理想的滑模控制，因此提出了准滑模控制策略[8]。

定义一个滑模面：

式中：I为状态量，表示的是并网实际电流；I*为并网给定电流；α为常数。

则：

由于在实际情况中起控制作用的开关切换频率无法达到理想情况下的无穷大，即系统运动状态轨迹无法沿着滑模面完全作上下垂直运动，因此，在此引入一个函数γ来实现准滑模控制，γ是具有典型继电器特性的切换函数，其特性可描述为：

式中：δ表示切换函数的滞回区间，为一正实数。由于δ的作用使得整个开关控制能保持中心模态S=0，而且整个控制的切换过程发生在S=±δ之间。

显然，以上的滑模面控制函数和切换函数能够确定逆变电路的切换条件和控制规律。

5　实验结果及分析

该系统基于太阳能光伏阵列和TMS320F2407A微控制器，设计研制了本文提出的单相光伏并网系统。实验中首先通过电压闭环控制环节控制DC-DC电路输出恒定值，然后在准滑模控制策略基础上对逆变电路进行控制。实验的相关参数如下：

在进行该系统的设计时，要求能保证并网时电流和电压的同频同相控制，并且保证并网时的功率能达到光伏阵列输出的最大功率。所以在该控制系统中，通过最大功率点跟踪算法(MPPT)单元来控制实数变量β的取值，将β与电网电压信号u相乘便得到了电流给定信号I*L2，通过给定信号的控制便可以实现功率因数cosφ=1的有源滤变。

电网电压幅值u=220 V，电网频率ωu=100 π，L2=10 mL，C=220 μF并网参考电流幅值I*L2=0.5 A，DC-DC电路输出电压U=240 V，采样频率f=5 kHz。

由图8可以看出，逆变电路A、B两点的输出电压UAB按照实验设计要求，其波形呈明显的双极性正弦波PWM特征。同时针对小的系统扰动没有明显的波形变化，具有良好的鲁棒特性，也验证了准滑模控制策略的合理性。

从图9波形图中可以看出，并网成功后正常运行时，并网电流IL2与电网电压u频率相同相位一致，因此可以验证对本系统并网时功率因数趋近于1的目标能够实现。另外在图中可以看见，并网电流波形中含有较多的谐波分量，这种情况的产生也正是因为采用了滑模控制策略，从而使得前述的抖振问题在此波形中体现，但本次设计没有研究出消除抖振的方法，该问题将在以后的研究中来解决。

图8　逆变电路输出电压与并网电流波形

图9　电网电压与并网电流波形

6　总结

随着时代的发展，电能成为了人类生活中不可或缺的一部分，而对电能不断增长的需求使得一次能源日益枯竭、环境污染加剧，于是新能源的产生与开发便成为了当下的热点问题，其中太阳能的应用以其存储巨大、清洁无害和取之不竭的优点迅速引起了人类的关注，如何最有效地来应用太阳能就是一个关键问题。而随着电子科技的发展，对电网供电质量的要求日益严格，因此在光伏电网并网时如何保证电网电能质量也是一个很关键的问题。解决以上问题就是本论文需要完成的主要内容。

本文通过仿真实验确定了电导增量法来进行MPPT控制，从而提高光伏系统的发电效率。同时本系统在逆变电路中引入准滑模控制策略来保证功率因素为1以及并网的稳定性，并通过实验进行了验证。

[1]张兴,张崇巍,孙本新.采用电流寻优的MPPT光伏阵列并网逆变器的研究[J].太阳能学报,2001,22(3)：306-310.

[2]赵争鸣,陈剑,孙晓英.太阳能光伏发电-最大功率点跟踪技术[M].北京.电子工业出版社,2012.

[3]程启明,程尹曼,汪明媚,等.光伏电池最大功率点跟踪方法的发展研究[J].华东电力，2009,24(8)：1-5.

[4]杨军.太阳能车光伏发电MPPT算法及控制研究[D].长沙：湖南大学，2013.

[5]LEE B K,EHSANI M.A simplified functional simulation model for three-phase voltage-source inverter using switching function concept[J].IEEE Trans on IE,2001,48(2)：309-321.

[6]吴理博.光伏并网逆变系统综合控制策略研究及实现[D].北京：清华大学，2006.

[7]SLOTINE J E,LI W P.应用非线性控制[M].程代展,译.北京：机械工业出版社,2006.

[8]胡跃明.变结构控制理论及应用[M].北京：科学出版社,2003.

Photovoltaic(PV)grid system based on quasi sliding mode control

WANG Xuan1,SHI Jing-zhuo2
(1.Department of Electrical Engineering,Luoyang Institute of Science and Technology,Luoyang Henan 471023,China; 2.Electrical Engineering College,Henan University of Science and Technology,Luoyang Henan 471023,China)

Grid connected photovoltaic power generation system control is a hot research topic in the field of new energy and maintaining the maximum output power and grid connected power grid stability is the key problems of the system.In view of the above problems,the maximum power point tracking(maximum power point tracking,refers to MPPT)selection scheme of control algorithm of DC/DC circuit carried out,and a kind of quasi sliding mode control strategy was proposed to control the inverter.Based on the theory analysis and the design,the final experimental platform was constructed for experimental study.

photovoltaic system;maximum power point tracking;quasi-sliding mode;grid-connected;inverter

TM 615

A

1002-087 X(2016)10-1990-03

2016-03-15

河南省科技厅(112400450401)

王璇(1984—)，女，湖北省人，硕士研究生，讲师，主要研究方向为光伏并网发电技术。