胡海林,李文,丰富
(1.江西理工大学 电气工程与自动化学院,江西 赣州 341000; 2. 国防科技大学 智能科学学院,长沙 410005)
经历了60余年的发展,对滑模变结构控制的研究已成为一个相对独立的控制理论研究分支,成为自动控制系统中控制器的一般设计方法。滑模变结构控制理论的发展大致经历了3个阶段:(1)以单输入单输出线性系统为研究对象,以输出量误差及其导数为状态变量;(2)研究对象为多输入多输出系统和非线性系统;(3)研究对象主要为复杂系统,包括滞后系统、离散系统、分布参数系统、非线性大系统等,同时将自适应控制、神经网络、模糊控制及遗传算法等先进控制方法与滑模变结构控制相结合[1]。
通过设计适当的滑模面,滑模变结构控制可以获得理想的滑动模态、良好的动态品质及较高的鲁棒性。同时为了反应出系统从任一点出发是如何到达滑模面的,又提出了各种滑动模态趋近率,可以通过选择不同的趋近率函数,从而获得到希望的动态品质特性。在滑模变结构控制实际应用中,由于系统中开关器件的时间滞后及系统惯性等因素影响,系统状态变量在到达滑模面之后,不是沿着滑模面滑动,而是在滑模面的两侧做来回的穿越运动,即滑模控制的抖振现象。如何减小滑模变结构控制系统的抖振问题是滑模变结构控制的研究热点。对于经典的滑模变结构控制,需要对不确定参数和外部干扰确定上下界,而实际系统中上下界的确定是相对困难,为此提出智能控制与滑模变结构控制相结合的方法,通过智能控制的方法根据系统不确定参数和外部干扰对滑模变结构控制律进行实时的调整,从而减小滑模变结构控制的抖振。在系统到达滑模面后,系统具有很强的鲁棒性,但在系统到达滑模面的过程中,系统参数变化和外部干扰影响系统到达滑模面的过程的动态性能,因此设计一种全局滑模变结构控制器是滑模变结构控制研究的一个热点问题。除此以外离散滑模变结构、终端滑模变结构、高阶滑模变结构等新型滑模变结构理论的发展也为滑模变结构理论的应用注入了新的活力[1-2]。
光伏并网逆变器本身是周期性变结构系统,滑模变结构控制策略适用于光伏并网逆变器的控制。对于光伏并网逆变器,设计一个合适的滑模面,当逆变器状态变量进入滑模态后,逆变器对负载变化、输入电压变化、电网谐波的影响以及逆变器自身参数的变化所引起的扰动具有较强的鲁棒性。当并网逆变器受到较大的扰动时,逆变器的状态变量轨迹将离开所设计滑模面,此时由于滑模变结构控制的存在,状态变量能够很快的回到滑模面,并迅速滑动到平衡点,从而使得逆变器获得快速动态响应。与经典控制方案脉冲宽度调制((Pulse Width Modulation, PWM)相比,滑模变结构控制的主要优点是有很强的鲁棒性,这使其在光伏并网逆变器具有跟踪速度快、精度高、超调量小、抗干扰能力强等特点。
光伏并网逆变器工作模式可以分为离网工作模式和并网工作模式,并网运行时,逆变器需要控制输出的并网电流与电网电压同频同相,即需要控制功率的输出以保证光伏微电网内部功率的平衡,同时保证在复杂电网环境中,光伏并网逆变器的输出电能质量能达到并网运行的各种要求。在离网运行时,光伏并网逆变器与电网断开,此时逆变器相当于一个电压源,逆变器根据设定的参考值来调节控制输出的电压幅值及频率以符合负荷的需求,从而保证重要负荷的不间断地供电[3]。
典型的两级分布式光伏发电系统的一般结构如图1所示,系统由输入侧变换器、并网逆变器、滤波环节、断路器及接触器组成。输入侧变换器利用升压电路将光伏电池输出直流电压提升到并网点电压要求电压等级,并实现最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)功能,并在电网故障时起到保护输入侧作用。并网逆变器完成直流母线电压控制,逆变器输出电流与电网电压同步控制,电网的电压和频率监测,有功无功功率控制,电能质量控制及孤岛检测等功能。
图1 两级光伏并网逆变器系统框图Fig.1 Block diagram of two levels photovoltaic grid-connected inverter system
根据采集的数据判断是否为孤岛效应,通过控制接触器通断使得并网逆变器工作于并网模式或离网模式下。在离网工作模式下,滑模变结构控制器控制输出电压幅值和频率,以满负荷的不间断供电。在并网工作模式下,并网逆变器滑模变结构控制可分为电流型滑模变结构控制和直接功率滑模变结构控制。电流型滑模变结构控制,通过采样并网电流,对并网电流进行反馈控制,直接控制输出电流的幅值和相位,实现并网电流的正弦化及获得较好的动态性能,并能降低输出电流对参数变化的敏感度,增强系统鲁棒性。电流滑模变结构控制是通过控制有功、无功电流分量从而实现对有功、无功功率的间接控制。为获得功率的快速响应,采用直接功率滑模变结构控制。直接功率控制无需将功率变量变换成相应的电流变量来进行控制,而将逆变器输出的瞬时有功和无功功率作为被控对象进行滑模变结构控制。基本的控制思路:对逆变器输出的有功功率和无功功率进行检测及运算,再将其检测值与参考值的偏差送入滑模变结构控制器,根据控制器的输出确定功率开关管的开关状态,以达到直接控制功率的目的。
光伏并网逆变器的离网工作模式与普通逆变器工作模式一致,一般选取输出电压实际值与参考值的差值设计滑模面,通过滑模变结构控制器直接控制输出电压幅值和频率,使得逆变器输出满足系统要求。文献[4]首先在单向逆变器中应用了滑模变结构控制,介绍了如何进行滑模面函数的选取和控制器的设计。文献[5]中,采用电压环和电流环构成双环控制结构,并对电压环和电流环分别设计滑模变结构控制电路,实验结果表明滑模变结构控制策略在非线性负载情况下输出波形畸变小。文献[6]为了削弱三相逆变器因开关死区、开关导通关断延迟等对并网电流的影响,在分析死区效应产生的平均误差电压的基础上,改变传统固定死区时间的设定方法,而根据电流幅值自适应调整死区时间,建立了逆变器的死区补偿模型。在不需要进行电流极性检测基础上,提出了基于指数趋近律来设计电流滑模控制器的方法,并利用反正切函数替代符号函数抑制了滑模控制所固有的抖振现象,实现了死区补偿和逆变器的鲁棒控制。文献[7-8]介绍了滑模变结构控制策略在逆变器并联中的应用,利用滑模变结构控制具有的对系统参数变化引起的扰动有较强的鲁棒性特性,保证各个逆变器模块之间的电流平衡。文献[9-11]采用积分滑模控制器,使得控制器对电机参数变化有很强的鲁棒性,并达到减小稳态误差目的。文献[12]在单向全桥逆变器中,采用自适应滑模变结构控制器,有效的控制总的谐波比,同时在负载变化时达到较好的控制效果。文献[13-15]通过优化离散滑模面函数,及前馈控制和自适应控制的引入,设计离散滑模变结构控制器,使系统获得良好的静态和动态性能。文献[16-17]介绍了基于离散指数趋近率的滑模变结构控制在逆变器中的应用,并给出了系统中离散滑模面的选取范围。文献[18-19]介绍了一种改进型离散积分滑模变结构控制器,给出了离散滑模面系数和积分系数的选取方法,系统不仅具有较好的波形跟踪特性还具有较强的鲁棒性。
对于单相光伏并网逆变器并网工作模式,选取输出电流参考值和实际值的差值设计滑模面,通过滑模变结构控制输出电流幅值和相位满足系统要求。为减小滑模变结构抖振问题,采用自适应算法在线调整系统切换相增益,以减小系统抖振。文献[20]选取单相全桥逆变器输出电感上的电流作为控制对象,通过采用时变的滑模面函数实时跟踪光伏阵列输出功率及输出电流,使得控制器对系统参数变化有很强的鲁棒性。文献[21]针对含变压器的两级单相全桥并网逆变器,由最大功率跟踪得到输出电流参考值,根据输出电流与参考电流差值设计滑模面,设计滑模变结构控制器,实现对输出功率的间接控制。文献[22]对于单相全桥逆变器,根据瞬时功率平衡建立数学模型,采用电压环和电流环双环控制。应用传统的线性控制器设计电压环,采用滑模变结构控制器设计电流环,有效的控制总的谐波比,同时在负载变化时达到较好的控制效果。文献[23]提出了一种基于LCL型并网逆变器的新型复合电流控制技术。文中详细分析了LCL滤波器的特点,其在谐振频率处存在谐振尖峰,通过在电流环中增加陷波器的方法实现了LCL滤波器的有源阻尼,提高系统稳定性的同时又不需要额外增加传感器;并网电流调节器将重复控制(Repetitive Control, RC)和准比例谐振控制(Quasi Proportional Resonance, QPR)有机结合,提高了系统的动态响应速度,且降低本地非线性负载扰动和电网电压频率波动对并网电流质量造成的影响,实现对基频信号的无静差跟踪控制和单位功率因数并网。
文献[24]对于带LCL滤波环节的单相全桥光伏并网逆变器,提出采用频率固定的改进滑模变结构控制,由逆变器输出电流的差值、滤波电容电压的差值、并网电流差值、并网电流差值积分项及并网流差值的偶次谐波分量构成滑模面。采用多个输出变量构建滑模面,利用高氏趋近率得到控制律,有效地控制总的谐波比,并减小系统稳态误差。
文献[25]针对在微网中并联逆变器采用自适应滑模变结构控制。采用输出电压参考值与实际值的差值及其微分和积分构成三阶滑模面,并且通过自适应算法分别估算逆变器滤波电路参数以及外部参数变化的边界值,从而保证滑模变结构控制在到达滑模面阶段的稳定性,同时减小滑模变结构控制的抖振,并通过实验和仿真验证控制算法的可行性。文献[26-28]对于并网单相全桥逆变器,根据输出电流参考值和实际值的差值建立滑模面,并采用自适应滑模变结构控制,通过自适应观测器观测参数变化的上界,在线调整切换项系数以减小系统抖振。文献[29]根据并网逆变器数学模型,为改善光伏并网逆变器控制系统的动态性能,提出利用指数趋近律和平方根趋近律,分别设计基于单相电流控制环的光伏并网逆变器控制系统。针对所选滑模控制律存在的非线性可能引起系统抖振的问题,采用单位控制连续化方法,使改进后的控制算法在切换面附近具有高增益特性,使系统具有抵抗干扰和参数摄动的能力。文献[28]控制策略存在问题:K值的选取影响系统控制稳态误差及过渡时间的长短,如果选取不合适可能引起系统的不稳定。在实际系统中,如果要实现单项逆变器并网,需要电网电压和逆变器输出电流同步,此时需要引入锁相环。此部分引入误差仿真结果没有体现。而在比例积分(Proportional-Integral, PI)控制结果中,需要引入锁相环,实际上PI电流跟踪结果中,为实际并网后电流误差值,所以仿真中的对比试验是没有意义的;系统中没有限幅环节,控制量变化太大可能导致系统不稳定。同时在测试中没有引入稳定性测试环节,不能说明系统设计的合理性;基于电流的滑模变结构控制方法,无法实现有功、无功功率的独立控制。
文献[30-31]中,对于单相全桥并网逆变器,选取输出电流为状态变量, 采用自适应滑模变结构控制设计控制器,自适应滑模并网控制由三部分组成,第一部分为基准模型;第二部分为抑制控制器设计,抑制控制器用于控制由参数变化和外部干扰一起的不可预测的震动;第三部分为自适应观测器,自适应观测器用于估算电压边界,用于较小由于抑制控制器中不恰当的固定增益引起震动。在离网及并网工作模式下,通过对比PI、比例谐振(Proportion Resonant, PR)及自适应滑模控制算法在直流电压波动,输出功率动态响应,以及电阻电容(Resistance Capacitance, RC)、电阻电感(Resistance Inductance Capacitance, RL)及非线性负载情况下的控制效果,验证自适应滑模控制算法在并离网工作模式下的可行性和优越性。文献中存在主要问题:在算法中引入的自适应观测器,用于估算由于抑制控制器参数不合理引起的系统抖动。对于PI、PR以及自适应滑模变结构控制效果进行对比测试,但是对于自适应滑模控制的到达阶段的稳定性没有进行测试,对于系统参数发生变化时,滑模变结构控制的鲁棒性没有体现;基于电流的滑模变结构控制方法,无法实现有功和无功功率的解耦控制。
典型的三相并网逆变器电流滑模变结构控制框图如图2所示,通过最大功率跟踪计算出有功功率参考值,在根据功率因数要求得到相应无功功率参考值,从而分别得到dq坐标下电流参考值,由电流参考值与电流实际值的差值设计滑模面,通过滑模变结构控制得出相应电压控制矢量,最后通过支持向量机(Support Vector Machine, SVM)调制控制逆变器开关器件。
图2 三相光伏并网逆变器电流滑模变结构控制Fig.2 Block diagram of the current sliding mode controller in the grid-connected power supply mode of three-phase grid-connected inverter
文献[32]将并网模式下逆变器输出电流在dq坐标分解成有功分量和无功分量,利用滑模变结构控制使电流有功分量跟踪太阳能光伏板的最大功率跟踪输出给定值,从而实现最大功率跟踪,同时控制输出电流的无功分量等于零,实现逆变器的单位功率因数并网运行。实验表明该方法能实现单位功率因数并网,快速跟踪光伏阵列的最大功率,且电流总谐波畸变率(Total Harmonic Distortion, THD)小于5%。文献[33]针对在多个微逆变器并联的智能微网系统中,通过孤岛检测模块和离并网模式选择模块,进行并网逆变器的并网工作模式和离网工作模式的切换。在并网工作模式下,选取逆变器输出电流与给定参考电流的差值及其微分和积分项构成三阶滑模面。通过滑模存在条件得到滑模控制律,滑模控制律由等效控制函数和切换控制函数组成。并提出采用自适应观测器观测系统不确定参数的边界,并在线调整系统切换控制函数的系数,已达到减小系统抖振的问题。在离网模式下采用功率下垂控制,虚拟输出阻抗控制,以及输出电压的滑模变结构控制相结合,对多台逆变器的输出功率平衡进行控制,对于输出电压的滑模变结构控制方法与并网模式下的电流控制是类似的。在离网和并网两种工作模式下的实验验证算法的可行性。文献通过在滑模面中引入积分项,从而减小了系统输出稳态误差,但是对用于在线调整符号函数系统的自适应观测器没有详细说明。文献[34]针对三相半桥逆变器的电流控制,在dq旋转坐标下,分别电流实际值与参考电流差值设计滑模面,设计离散滑模变结构控制律,并引入非线性补偿环节,补偿由于死区和滞后对系统造成影响。文献[35]针对带LCL滤波环节的三相半桥光伏并网逆变器,提出在旋转dq坐标下采用频率固定的滑模变结构控制,由逆变器输出电流参考值与实际值的差值、滤波电容电压参考值与实际值的差值、并网电流差值积分项及并网电流差值的偶次谐波分量构成滑模面。文献通过在滑模面中引入并网电流的积分项从而减小并网电流稳态误差,引入并网电流差值的偶次谐波分量减小并网电流的谐波分量,但是文献提出的滑模变结构控制的滑模面后,对滑模变结构控制律的求取没有进行说明,若使用原控制律,系统在原点附件邻域内抖动,不能最终到达原点,存在一定稳态误差。
文献[36]中对于带LCL滤波的三相半桥并网逆变器,由于LCL滤波器的引入可能导致系统振荡,采用基于虚拟阻抗的主动阻尼滑模变结构控制,解决由于LCL滤波器引入带来的系统稳定性问题,同时能够完成并网电流的解耦控制。对于两相电流分别设计滑模变结构控制器,用于虚拟阻抗控制及输出电流的控制,对于电压同样也采用滑模变结构控制,使得控制器获得更宽的线性调节区域。此外通过增加卡尔曼滤波器来减小传感器的数量,通过引入卡尔曼滤波器减小由于系统噪声引起的测量误差。文献[37]针对中点钳位(Neutral Point Clamped, NPC)三电平三相并网逆变器,首先对逆变器输出功率进行dq分解,并分别设计两个滑模变结构控制器,由控制器输出控制矢量,通过支持向量机SVM调制直接控制开关管动作,从而实现对逆变器有功和无功功率的控制。由参考功率和实际功率的差值作为滑模面,根据滑模面存在的条件以及功率波动最小原则,得出滑模控制律,并分析系统RL参数对滑模变结构控制的影响,以及在参数变化后,如何选择重新选择控制律,最后通过SVM合成控制矢量。文献通过仿真结果,验证算法的可行。文献[38]在T型三电平并网逆变器中,采用滑模变结构控制,对于静止的ab坐标分别设计滑模控制器,计算出相应的ab坐标电流,再经过矢量控制器输出对应开关管的动作时间,从而实现对于输出电流及电容电压的控制。对于滑模面的设计引入积分环节,已减小系统稳态误差。文献[39]对由两个独立的三相半桥逆变器串联组成的多电平逆变器建立数学模型,采用滑模变结构控制注入电网有功和无功功率。
为了解决并网逆变器地电流的问题,往往在并网逆变器输出加上变压器与电网进行电气隔离。增加隔离变压器后,整个光伏逆变器的数学模型比较复杂,不利用滑模变结构控制器的设计。为简化控制算法,文献[40]对带有LC滤波环节和隔离变压器的并网逆变器进行降阶建模,在降阶建模的过程中利用到电流加权反馈的方法,并对降阶模型在系统参数变化时的准确性及稳定性进行分析,最后在降阶模型的基础上设计滑模变结构控制器。
分析实验结果可知,只对并网电流进行闭环控制时,并网电流的谐波分量较大,逆变器输出电能质量较差。在降阶模型基础上,分别对并网电流的dq坐标下的有功分量和无功分量设计PI控制器或滑模变结构控制器,都能实现对并网输出功率的准确跟踪。在采用滑模变结构控制策略时,系统具有很好的静动态调节能力,输出电流谐波分量小,其谐波分量最大值不超过2%,从而验证了在降阶模型基础上的滑模变结构控制策略的可行性。
文献[41]在三相半桥并网逆变器中,对两相输出电流设计滑模面,通过滑模变结构控制完成对输出电流的控制。对逆变器中点电压设计滑模面,利用滑模变结构控制对逆变器注入三次谐波分量,已提高直流电压利用率。并引入卡尔曼滤波器以减小输出电流谐波分量并提高系统稳定性。
典型的三相并网逆变器直接功率滑模变结构控制系统框图如图3所示,通过检测输出电压和电流计算出系统输出有功功率和无功功率实际值,由有功功率、无功功率实际值与参考值的差值设计滑模面,通过滑模变结构控制器输出电压矢量,并由SVM调制控制逆变器开关器件动作。
图3 三相并网逆变器直接功率滑模变结构控制Fig.3 Block diagram of the direct power sliding mode controller in the grid-connected power supply mode of three-phase grid-connected inverter
文献[42]对于三相半桥并网逆变器,采用离散滑模直接功率控制,分别对于有功功率和无功功率设计离散滑模控制器,并采用空间矢量调制。对于系统参数不确定项使用预测控制对有功功率和无功功率参考值进行修正,有效地抵消系统不确定项的影响。文献[43]对于三相三电平并网逆变器,采用离散滑模直接功率控制,分别对于有功功率和无功功率设计离散滑模控制器,并采用空间矢量调制。并根据有功无功功率误差最小原则,对控制量进行修正。仿真和实验结构表明算法的可行性。文献[44-46]建立了三相电压型并网逆变器数学模型,在此基础上提出了一种基于滑模变结构的三相电压型并网逆变器直接功率控制策略,详细论述了控制策略原理及设计过程。该控制策略将滑模变结构控制器、直接功率控制和空间矢量脉宽调制技术相结合,不需要同步速旋转坐标变换即可实现恒定的开关频率,具有良好的稳态性能和快速的动态特性。
以上的控制算法没有考虑在实际电网环境下的控制效果,在实际电网环境中,电网往往是三相不对称而且存在一定量的低次谐波,为改善并网逆变器的此时的运行性能,文献[47]提出一种基于静止坐标下的谐振滑模变结构直接功率控制策略。在电网三相不对称或者电网存在一定谐波分量时,逆变器输出电流将出现三相不平衡情况或严重的谐波畸变,同时逆变器输出的有功功率和无功功率也会出现大的波动。将逆变器输出有功、无功功率的稳定或输出电流正弦化为控制目标进行滑模变结构控制器的设计,从而改善并网逆变器此时的运行性能。文献提出的直接功率滑模变结构控制策略,无需对电网电压负序和谐波分量进行提取,也无需引入锁相环,简化控制器的设计,提高系统的动态性能。实验结果表明,文献提出控制策略能够实现并网逆变器有功、无功功率的解藕控制,使得逆变器在三相不对称及谐波电网下输出电流的正弦化或有功、无功功率的平稳输出,同时具有良好的动态性能。文献中控制算法存在的问题,控制目标输出电流正弦或有功及无功功率平稳,不能同时达到输出电流正弦和有功无功功率的平稳。没有与现有的线性控制方法进行比较,无法充分说明谐振滑模控制的优越性。
光伏并网逆变器的滑模控制设计思路:根据并网逆变器数学模型或者简化模型,设计基于电压、电流或功率的滑模面函数,利用滑模面存在到达条件或趋近率设计控制律,设计基于滑模变结构的电流环或者功率环的光伏并网逆变器控制系统,并推导出滑模面存在性以及利用李亚普诺夫定理证明了系统稳定性。针对所选滑模控制律存在的非线性而引起系统抖振的问题,采用各种改进的滑模变结构控制算法使得在系统切换面附近具有高增益特性,从而使系统获得较好的鲁棒性。考虑系统在到达滑模面过程中的稳定性问题,采用改进滑模面或者采用智能控制算法与滑模变结构控制算法结合的方法设计全局滑模变结构控制。
光伏并网逆变器滑模变结构控制,在离网工作模式通常根据输出电压设计滑模面,完成滑模变结构控制器的设计。对于二电平三相并网逆变器在并网工作模式下通常采用输出电流设计滑模面,对于多电平三相并网逆变器通常采用输出电流及中点电压相结合的方法设计滑模面,或者根据输出功率来设计滑模面,通过采用不同的趋近律进而完成对滑模变结构控制器的设计。为了减小系统稳态误差及提高系统动态性能,通常采用高阶滑模面,或者采用多个输出变量相结合的方法设计滑模面。对于系统在到达滑模面过程中的稳定性问题,通常通过改进滑模面的方法或者采用智能控制算法与滑模变结构控制相结合设计全程滑模变结构控制。为补偿由于系统延时及其他不确定因素,通常对系统滑模变结构控制器进行补偿。根据目前滑模控制的发展状况,对光伏并网逆变器滑模变结构控制的未来发展方向进行以下预测:
(1)现有滑模变结构控制器多为二阶滑模变结构控制器,由于控制器只含比例环节,系统的稳态误差较大,而改进的积分滑模变结构控制,其控制器仍然为二阶控制器,虽然系统的稳态误差有所减小,但是以牺牲一定的动态响应为代价。所以针对光伏并网逆变器的高阶滑模变结构控制器的研究和应用是一个值得研究的方向;
(2)采用智能控制算法(模糊算法、神经网络、遗传算法等)与滑模变结构控制相结合,以减小系统抖振。通过智能控制算法的引入,实时在线调整滑模控制中切换项的增益,最大限度地降低切换项的增益,从而有效地减小滑模控制系统的抖振;
(3)在系统到达滑模面过程中,系统易受到参数变化和外部干扰影响,如何设计全程的滑模变结构控制器也是未来研究的热点方向;
(4)对于不满足匹配条件的不确定因素,无法确定边界,此时滑模控制的如何设计需要进一步研究。对于系统控制延时及开关死区时间对逆变器并网电流产生影响,如何对滑模变结构控制进行补偿也是一个需要进一步研究的方向;
(5)针对光伏并网逆变器运行过程中,离网运行和并网运行时各种异常情况,比如非线性负载情况、多逆变器并联、电网三相不对称情况、电网谐波分量较大情况以及多个逆变器并联时,滑模变结构控制算法的应用也是值得研究的方向。
近年来,随着分布式发电技术研究的逐渐深入,并网逆变器作为系统中关键部件之一得到了广泛关注,而针对逆变器控制算法的研究又是逆变器研究的重点。文章针对光伏并网逆变器的滑模变结构控制方法进行综述,并对并网逆变器的常用滑模变结构控制方法进行分类和总结,最后对光伏并网逆变器的滑模变结构控制方法未来可能的研究和发展方向做出一些探讨。