基于滑模控制的三相雙降壓式并網(wǎng)逆變器

在可再生能源發(fā)電技術(shù)飛速發(fā)展的今天，并網(wǎng)逆變器作為可再生能源發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備，已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。三相雙壓式并網(wǎng)逆變器作為一種新型拓?fù)?，從根本上克服了傳統(tǒng)的三相橋式并網(wǎng)逆變器存在的橋臂直通問題[1-2]，工作時(shí)不用插入死區(qū)時(shí)間，可以很好地提高輸出波形的質(zhì)量。因此，三相雙降壓式并網(wǎng)逆變器具有重要的應(yīng)用價(jià)值。但是在三相雙降壓式并網(wǎng)逆變器的控制研究中，目前常見的只有傳統(tǒng)的PWM控制、滯環(huán)控制和單周控制。其中PWM控制的動(dòng)態(tài)性能差且存在穩(wěn)態(tài)誤差[3]；而滯環(huán)控制雖然具有很好的魯棒性但其開關(guān)頻率不固定，從而導(dǎo)致濾波器設(shè)計(jì)困難[4]；單周控制雖然不存在穩(wěn)態(tài)誤差且抗輸入擾動(dòng)能力強(qiáng)，但其抗輸出擾動(dòng)能力薄弱[5]。
采用

理想情況下，圖1所示拓?fù)渲须姼芯嗟?，假設(shè)都等于L，且可以忽略橋臂直通問題。因此，當(dāng)三相雙降壓式并網(wǎng)逆變器運(yùn)行在六段運(yùn)行模式時(shí)，可以將三相雙降壓式并網(wǎng)逆變器的開關(guān)和二極管等效重組成如圖3所示的等效分析電路。以區(qū)間Ⅰ為例進(jìn)行分析，可以看出當(dāng)三相雙降壓式并網(wǎng)逆變器和等效分析電路都按照表1運(yùn)行在六段運(yùn)行模式時(shí)，它們?cè)谠搮^(qū)間可以等效成同一個(gè)電路，如圖4所示。同理在其他區(qū)間時(shí)三相雙降壓式并網(wǎng)逆變器與其等效分析電路都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的等效電路。

式中起削弱抖振作用的δd和δq通常取一個(gè)很小的正值。
設(shè)計(jì)好的滑?？刂葡到y(tǒng)需要嚴(yán)格按等效分析電路對(duì)應(yīng)的開關(guān)接入三相雙降壓式并網(wǎng)逆變器。由于等效分析成立的前提是三相雙降壓式并網(wǎng)逆變器與等效分析電路都運(yùn)行在六段運(yùn)行模式，故在接入對(duì)應(yīng)控制信號(hào)時(shí)，必須經(jīng)過六段運(yùn)行模式控制器后接入，以保證其運(yùn)行在六段運(yùn)行模式。
3 仿真分析
為了驗(yàn)證上述理論分析的正確性與滑模控制下三相雙降壓式并網(wǎng)逆變器的工作性能，利用仿真軟件搭建電路模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。參數(shù)設(shè)置：直流輸入電壓Uin=1 250 V，所有電感都取1 mH，電網(wǎng)電壓有效值為220 V，電網(wǎng)電壓頻率fs=50 Hz，并網(wǎng)電流參考信號(hào)與各相電網(wǎng)電壓同頻同相；高頻單元采用滑模控制其調(diào)制器中三角波在仿真時(shí)可以取比較高的頻率以保證準(zhǔn)滑動(dòng)模態(tài)；輸入電壓擾動(dòng)從1 250 V躍變至1 600 V，電網(wǎng)擾動(dòng)時(shí)取電網(wǎng)電壓波動(dòng)為15%。
從圖5可以看出，在滑?？刂葡?，三相雙降壓式并網(wǎng)逆變器輸出的并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)向電網(wǎng)輸出電能，經(jīng)過FFT分析得并網(wǎng)電流的THD=1.61%，這表明并網(wǎng)逆變器輸出的電流波形質(zhì)量好，符合并網(wǎng)指標(biāo)。圖6表明三相雙降壓式并網(wǎng)逆變器工作在六段運(yùn)行模式。圖7表明輸入電壓擾動(dòng)和電網(wǎng)電壓擾動(dòng)時(shí)，逆變器的輸出并網(wǎng)電流幾乎不變，這說(shuō)明滑?？刂葡碌娜嚯p降壓式并網(wǎng)逆變器對(duì)輸入電壓擾動(dòng)和電網(wǎng)電壓擾動(dòng)具有很好的抑制能力，在各種常見擾動(dòng)下依然能輸出高質(zhì)量的電能。

本文在對(duì)三相雙降壓式并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行了等效分析，然后根據(jù)三相雙降壓式并網(wǎng)逆變器的等效分析電路，重點(diǎn)對(duì)其滑?？刂七M(jìn)行了設(shè)計(jì)，并在控制律中采用了平滑函數(shù)來(lái)取代符號(hào)函數(shù)以削弱抖振。理論分析與仿真結(jié)果表明，采用滑?？刂坪蟮娜嚯p降壓式并網(wǎng)逆變器獲得了很好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，其輸出電流的總諧波畸變率小，能快速跟蹤電網(wǎng)電壓，實(shí)現(xiàn)以單位功率因數(shù)向電網(wǎng)輸電，并且在各種常見擾動(dòng)下基本不受影響，依然能保證向電網(wǎng)輸送高質(zhì)量的電能。
參考文獻(xiàn)
[1] Yao Zhilei，Xiao Lan，Yan Yangguang.Dual-buck full bridge inverter with hysteresis current control[J].IEEE Transactions on Industrial Electronies，2009，56(8)：3153-3160.
[2] 姚志壘，王贊，肖嵐，等．一種新的逆變器并網(wǎng)控制策略的研究[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(18)：61-64．
[3] 林渭勛.現(xiàn)代電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.
[4] Chen Baifeng，Gong Jinwu，Xiong Lan.Analysis and realization of a novel repetitive controller in active power filter system[C]．Power Electronics and Drive Systems，2009：944-949．
[5] RUZBEHANI M，LUOWEI Z，MINGYU W.A new modification in structure of one-cycle controller[C].IEEE International Symposium on Industrial Electronics，China，2004，2(2)：851-855.
[6] 劉金錕.滑模變結(jié)構(gòu)控制MATLAB仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.
[7] AMBROSINO G，CELENTANO G，GAROFALO F.Variable structure model reference adaptive control systems[J].Int J Control，1984，39（6）：1339-1349.