基于离散滑模和鲁棒控制的双闭环光伏并网控制

王金玉， 黄兴， 董实， 胡明哲, 彭炜淞

(1.东北石油大学 电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318；2. 中国石油大庆第二采油厂信息中心，黑龙江 大庆 163300)

基于离散滑模和鲁棒控制的双闭环光伏并网控制

王金玉1， 黄兴1， 董实2， 胡明哲1, 彭炜淞1

(1.东北石油大学 电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318；2. 中国石油大庆第二采油厂信息中心，黑龙江 大庆 163300)

为了提高光伏发电效率和电能质量，减少电能质量扰动，在传统的双闭环控制理论基础上，分别基于离散滑模控制和鲁棒伺服控制设计电流内环和电压外环，实现电压和电流的双闭环调节。对离散滑模控制和鲁棒伺服控制进行理论分析，并利用MATLAB/Simulink进行建模仿真，通过仿真结果验证所提出控制策略的可靠性和有效性，将对实际运行电网提供理论支持和帮助。

光伏发电；控制策略；离散滑模；鲁棒性；仿真验证

0 引 言

能源的发展不断地推动着人类社会的进步。能源危机的加重和环境问题的突出，使得绿色可再生能源发电具有广阔的发展前景。太阳能无污染、资源丰富、无区域限制等优点使它得到了广泛的应用。光伏并网逆变器影响着整个光伏并网系统的稳定、安全、高效运行，是光伏并网系统的核心部件，电网的电能质量会被逆变器输出的并网电流影响[1]。光伏并网逆变器具有高效率、高可靠性、直流输入电压有较宽的适应范围等特征，根据它的特征提出了模糊PI控制、MPPT控制、空间矢量控制等方法，虽然这些方法也能较好的控制光伏并网逆变器，但没有全面的考虑到逆变器参数不确定性和抗干扰能力差的影响，稳定性欠佳，抑制扰动的效果较差[2]。

1 控制策略

本文改良的双闭环控制策略能够有效、快速地实现电流控制，克服传统双闭环控制易受逆变器参数不确定性影响和抗干扰能力差的缺点，减小了稳态误差，增强了光伏并网系统的稳定性[3]，如图1所示。两个环路分别为内部逆变器电流环路和外部负载电压环路。

图1 控制系统框图

外环采用基于鲁棒伺服控制器的控制方法，把负载电压(Vloadqd)调节到一个平衡的三相参考电压(Vrefqd)，并且得出逆变器的控制电流[4]。

内环应用离散滑模控制器来产生一个PWM开关信号调节逆变器电流(Iinvqd)。系统中使用一个标准的电压空间向量算法来得到PWM开关信号。由于负载电压的零序分量不可控，所以负载电压不是可控分量。

2 基于离散滑模(DSMC)的内环电流控制

通过研究表明，DSMC在微型电网应用中具有以下优势：DSMC提供了一种快速的临界阻尼响应；在过载条件下提供快速电流控制限制逆变器电流；在改进的RSC电压控制方案中引入额外的DSMC动态控制。控制方法的组合应用能够保证整个控制系统的稳定性，所以采用DSMC控制系统[5]。

应用DSMC控制系统的设计，定义以下内容：

滑动模态：

s(k)=C1x(k)-yref(k)=C1x(k)-Icmdqd

(1)

当发生滑模时，公式中使得C1x1(k)=Iinvqd(k)满足的条件是s(k)=0或Iinvqd(k)=Icmdqd记作:

s(k+1)=C1A*x(k)+C1B*u(k)+C1E*d(k)

(2)

对DSMC的等效控制输入，由下式给出:

ueq(k)=(C1B*)-1(-C1A*x(k)-C1E*d(k)+Icmdqd)

(3)

经过由数字信号处理器(DSP)的计算延迟会导致不良的过冲。为弥补这种延迟，采用半步超前预测的方法。如下式给出：

xp(k)=1.5x(k)-0.5x(k-1)

(4)

dp(k)=1.5d(k)-0.5d(k-1)

(5)

ueq(k)=
(C1B*)-1(-C1A*xp(k)-C1E*dp(k)+Icmdqd)

(6)

因此，DSMC产生控制输入，即ueq(k)，它利用Icmdqd来调节Iinvqd。滑模发生时，Icmdqd=Iinvqd。控制输入作为逆变器PWM开关信号。

3 基于鲁棒伺服控制器(RSC)的外环电压控制

通过研究分析，RSC在微型电网应用中有以下优势：由于在负荷未知的情况下，RSC具有零稳态跟踪误差的能力，并且能够消除特定的谐波频率且保证系统稳定；RSC理论是基于鲁棒伺服控制器问题(RSP)的解决方案，它结合了内模原理和最优控制理论并应用于线性系统；内模原理指出:如果参考扰动与模型生成的扰动都包含在稳定的闭环系统，则渐进跟踪控制变量指向相应的参考扰动[6]。总之，如果参考频率和被消除的扰动包括在控制环路中，稳态误差将不包含这些频率模式。

现在我们可以写出状态方程为[7]：

(7)

离散时间状态空间方程为：

(8)

然后，可以将伺服补偿写为:

(9)

离散的伺服补偿为:

(10)

4 仿真与分析

为了验证本文所提方法的正确性和有效性，使用MATLAB中的Simulink进行仿真分析，通过改变负载的情况进行系统检验。

(1)满载或额定负载

孤网情况下，测定了以下参数：负载电流(Iload)、负载电压(Vload)、逆变器电压(Vinv)。

图2 满载情况下各参数的仿真波形

如图2(a)～(c)所示，由理想直流源构成的微电源系统能够给三相负载供给稳定的三相电能。

(2)空载

如图3(a)～(c)所示，当系统空载或开路状态时，控制系统稳定运行，输出负载电流为零，此外可以看到负载电压和逆变器电压(Vload和Vinv)的幅值与频率都保持在理论分析范围内。

图3 空载情况下各参数的仿真波形

图4 满载到空载情况下各参数的仿真波形的变化

(3)满载至空载

图4(a)～(c)分别为从满载到空载时参数Iload，Vload，Vinv的窗口放大的仿真曲线图。

从图4(a)～(c)中可以看出，当负载从满载至空载过程中，可以看出，负载电流Iload立即按预期降为零值。另一方面，负载电压Vload和逆变器电压Vinv出现了扰动，但值得注意的是，在一个周期内该控制系统即将扰动消除并恢复到正常状态，这表明由于负载变化所产生的暂态效应被有效并且迅速衰减。

5 结束语

本文从整体研究了控制系统，探讨了离散滑模控制器与鲁棒伺服控制器状态空间方程的建立及数学分析过程。在传统的双闭环理论上，分别基于离散滑模和鲁棒控制设计电流内环和电压外环，对三相参考电压和逆变器电流的有效控制。通过MATLAB对控制系统进行仿真，仿真和试验结果均验证了此双闭环控制策略的稳定性和有效性。

[1] 刘波, 杨旭. 三相光伏并网逆变器控制策略[J]. 电工技术学报, 2012, 27(8):64-70.

[2] 洪巧文, 蔡逢煌, 戴永辉, 等. 光伏发电系统的新型双闭环控制算法研究[J]. 电源学报, 2012,11(4):54-58.

[3] 吴威. 单相光伏并网逆变器控制策略的比较研究[J]. 电网与清洁能源, 2013,29(8):75-78.

[4] 王恩德, 黄声华. 三相电压型PWM整流的新型双闭环控制策略[J]. 中国电机工程学报, 2012,49(15):24-30.

[5] 李军红，洪镇南. 三相光伏并网系统的滑模变结构控制 [J]. 电力系统保护与控制, 2012,40(12):83-97.

[6] 梅生伟，申铁龙，刘康志. 现代鲁棒控制理论与应用[M]. 北京：清华大学出版社, 2008.

[7] VILMAA O， TOGNETTI E S， SIQUEIRA D. Robust controllers enhanced with design and implementation processes[J]. IEEE Trans. on Education ， 2006,49(3):370-382.

喜讯！

虹润智能仪表产品获得国际SIL功能安全认证

近日，虹润智能仪表系列产品再传喜讯，虹润两款智能仪表产品NHR-M22温度变送器、NHR-M23配电器获得了国际SIL2功能安全认证证书。这标志着虹润仪表产品的安全性达到了国际标准。也为虹润产品实现走向世界的美好愿景再一次打下了坚实的硬件基础。

SIL2认证，是国际上公认的一种功能安全认证，英文全称：Safety integrity Level-安全完整性等级。是根据国际电工委员会IEC颁布的功能安全标准IEC 61508(已转化为国标GB/T 20438归口标委会SAC/TC124/SC10)中对相关产品进行安全考核的认证要求。需要做SIL认证的产品，都是使用可能对人、环境或财产造成较高危害的场合，考核的主要目的也是，不能因为产品本身的功能问题，引起人员的伤害、环境污染和财产损失。

SIL认证一共分为4个等级，SIL1、SIL2、SIL3、SIL4，包括对产品和对系统两个层次。其中，石化仪表类为SIL2、SIL3。随着工业事故及其对社会的影响被人们广泛认知，越来越多的企业意识到安全的重要性，充分利用工程实践经验和安全技术(IEC61508和IEC61511)来研发产品，积极参与产品的功能安全认证，从而避免工业安全事故的再次发生。

Double Closed-loop Photovoltaic Grid Connection Control Based on DSMC and RSC

Wang Jinyu1, Huang Xing1, Dong Si2, Hu Mingzhe1, Peng Weisong1

(1.College of Electrics and Information Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing Heilongjiang 163318, China;2. Information Center, China Petroleum Daqing No.2 Oil Recovery Plant, Daqing Heilongjiang 163300, China)

In order to improve the efficiency of photovoltaic generation and power quality and reduce power quality disturbance, on the basis of traditional double closed-loop control theory, an inner current loop and an outer voltage loop are designed on the basis of discrete sliding mode control (DSMC) and robust servo control (RSC) respectively to achieve double closed loop regulation of voltage and current. DSMC and RSC are analyzed theoretically, and model establishment and simulation is completed via MATLAB / Simulink. Simulation results verify the reliability and effectiveness of the proposed control strategy. This control strategy will provide theoretical support and help to the actual operation of power grids.

photovoltaic power generation; control strategy; discrete sliding mode (DSM); robustness; simulation verification

TM743

A

1000-3886(2017)04-0056-02

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.016

定稿日期: 2016-11-08

东北石油大学研究生创新科研项目(YJSCX2016-029NEPU)

王金玉(1973-)，男，吉林通化人，博士，教授，硕士生导师，从事电气自动化技术方面的研究。 黄兴 (1992-)，男，黑龙江双鸭山人，硕士生，主要研究方向为太阳能光伏发电。 董实 (1985-)，男，黑龙江大庆人，本科生，主要从事电气检修方面的工作。胡明哲(1973-)，男，黑龙江大庆人，硕士生，主要研究方向为风力发电。 彭炜淞(1991-)，男，黑龙江绥化人，硕士生，主要研究方向电磁场。