杨文方光伏论文(实验).doc

准滑模控制单相光伏并网系统设计与研究杨文方, 段晓明洛阳理工学院 (河南 洛阳 471023)1 系统主电路拓扑结构设计系统主电路中DC/DC升压电路采用BOOST结构，DC/AC逆变并网电路采用单相全桥结构，具体的系统主电路拓扑结构如图2所示：图2 系统主电路原理图为保证系统环节的分段线性性质，电路中电感L1、L2和电容C的选定值应足够大。这里值得说明的是，交直流滤波环节尽管只用了一个电感L2，但实验结果证明这样做是可行的。1.1 光伏阵列模型分析参考文献1给出了一种如图3所示的光伏阵列数学模型，从图中可以看出，该模型实际上是一个恒流源和可变电阻的并联电路。本文光伏阵列的数学模型也正是基于这种思想建立的。如不考虑环境温度的影响，图3中电阻REP可等效为光照强度和负载电流的函数，如式1所示：图3 光伏阵列电路模型图 （1）式（1）中, R1，R2为常数，ISC-100%为最大光照强度下光伏阵列的短路电流值，ISC为实时光照强度下光伏阵列的短路电流值，IPV光伏阵列的负载电流值。则光伏阵列的数学模型可表示为： （2）1.2 BOOST电路模型分析BOOST电路主要由一个电感、电容、二极管以及一个开关管组成。图2-3示出了它的基本电路结构。图4 BOOST电路结构在电流连续的情况下，可以定义出两种开关状态：1）开关K闭合而二极管截止, 2）开关K关断而二极管导通。设升压储能电感值为L1，直流输出侧电容值为C，两种状态按固定周期T进行切换，并定义导通占空比为d，状态矢量，根据基尔霍夫电压电流定律则可得到：状态1），即当时： （3）式（3）中： 状态2），即当时 （4） 式（3）、（4）中n为整数，ID为BOOST变换器的输出电流，其值可以根据下一环节的负载数据计算出来。1.3 逆变主电路模型分析图5 单相并网逆变器电路结构并网逆变主电路（图5）一般采用单极性或双极性方式来进行控制， 本系统采用了后者，即双极性控制方式。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。设并网滤波电感值为L2，电网电压为u，并网电流为IL2，根据基尔霍夫定律或者拉格朗日动力学方程可以得到以下各式： (当S1 , S4 通， S2 , S3 断时) （5） （当S1 , S4 断， S2 , S3通时） （6）将（5）（6）合并得： （7）其中，规定当S1 , S4 通， S2 , S3 断时 ，当S1 , S4 断， S2 , S3 通时 。另外，通过分析逆变电路的工作原理，还可以确定出ID与式的逻辑关系：当 时：； 当 时：。 当 时：； 当 时：。 由此可知ID可以用一个符号函数与的乘积来表示： （8）用（2）、（3）、（4）、（7）、（8）即可建立系统的程序控制模型，而整个系统的设计与实验研究也是基于这一模型进行的。2系统控制原理分析图6 系统控制结构原理框图2.1 BOOST电路控制原理BOOST电路主要完成DC-DC升压和稳压工作。如图6所示，其控制电路是一个由电压比较环节、PI调节器，以及PWM信号生成环节组成的闭环控制系统。电压给定值UDref一般取电网电压u的13倍。整个电路通过调节PWM信号的占空比来实现升压和稳压功能。2.2 逆变电路控制原理 设为并网给定电流，为待定正实数，定义一个滑模面： （11） （12）将式（7）代入上式可得： (13)在理想的滑动模态中，控制作用的切换频率值无穷大，状态轨迹沿着滑模面作上下垂直运动。而实际系统的开关频率是有限的，因此，可以引入一个具有典型继电器特性的切换函数 (S)来实现并网电流的“准滑模控制”， (S)的函数特征如图8所示图8 切换函数 (S) 图9 S函数波形 进一步，可以将切换函数描述为：当 或者当 并且 当 或者 (14)当 并且 式中为正实数，表示切换函数的滞回区间。滞回特性使得开关控制的中心模态，整个切换控制发生在的两个模态之间。切换频率的高低依赖于斜率的大小，并不固定。S函数的波形可以用图9来表示。显然，式(14)表示的切换函数以及式（11）、（12）共同确定了逆变电路的切换条件和控制规律。在图6逆变电路的控制原理示意图中，引入了一个微分D的控制环节，其作用主要是完成式（12）或（13）中的求解计算。2.3 逆变电路并网参考电流信号生成原理如图6所示，为了实现功率因数的有源逆变，电流给定信号可直接利用电网电压信号u乘以一实数变量来生成，而的取值可通过最大功率点跟踪（MPPT）算法单元的输出电流值Iref来确定（因为这两个参数是线性相关的）。这样即可一方面保证并网电流和电网电压为同频同相控制，一方面保证并网功率为光伏阵列所能输出的最大功率。目前，关于MPPT的算法有很多种，本文提出了一种新的算法即“电阻增量算法”。这种算法的特点是可以兼顾光照强度和温度两个参数的变化，实现光伏阵列最大功率点的全局跟踪。因为在最大功率点Pmax处有，所以有： (9) (10)式(10)为电阻增量法达到最大功率点的条件，即输出电阻的变化量等于输出电阻的负值时，光伏阵列工作在最大功率点，随后算法通过比较光伏阵列的电阻增量和瞬间电阻来改变控制信号，在电阻增量大于瞬间电阻的区域增加工作电流，在电阻增量小于瞬间电阻的区域减小工作电流，当两者相等时，电流保持不变；在电流不变电压增加时，增加工作电流，在电流不变电压减小时，减小工作电流。电阻增量法控制流程图 如图7所示。图7 电阻增量算法控制流程3 实验结果基于KC200GT光伏阵列和stm32f103微控制器，设计研制了本文提出的单相光伏并网系统。实验中首先使DC-DC电路电压闭环控制环节的输出值恒定，然后对逆变电路的准滑模控制策略进行实验研究。实验的相关参数如下：电网电压幅值，电网频率，, 并网参考电流幅值。DC-DC电路输出电压；采样频率所得实验结果如图10和图11所示。 图10 逆变电路输出电压与并网电流波形图11 电网电压与并网电流波形从以上实验波形图中可以看出，逆变电路A、B两点的输出电压的波形呈明显的双极性正弦波PWM特征。稳态情况下并网电流与电网电压u同频同相，因此可以验证本系统并网功率因数能够逼近1的理想指标，但从图中也可看出，并网电流含有较大的谐波分量，这正是由滑模控制策略本身存在的非线性“抖振”因素所决定的。4 结束语光伏并网发电是一项较为复杂的新能源电力电