杨文方光伏论文(实验)

1、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屮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：厶1光伏阵列厶2 *acq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li、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

2、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中电阻肿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reprr?/?1+/?2(1-)(1-a(/schx)%-/vc)1 sc(1)式（1）中a,&, ©为常数，心eow为最大光照强度下光伏阵列的短路电流值， /sc为实时光照强度下光伏阵列的短路电流值，/v光伏阵列的负载电流值。则光 伏阵列的数学模型可表示为：tj _ r j 只占2(1 sc - s)u pv _9 1 ep j+尺2(1-于勺(1 - 2(/sc_ioo% -，sc)1 sc(2)1.2 boost电路模型分析bo

3、ost屯路主要由一个电感、屯容、二极管以及一个开关管组成。图2-3 示出了它的基木电路结构。ohhok cud光伏阵列>pv >-图4 boost电路结构在电流连续的情况下，可以定义岀两种开关状态：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乙，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 x = ud,ipj,根据基尔霍夫电压电流定律则可得到：状态1）,即当nt<t<ndyr时：x = ax + bxu pv(3)式(3)中：a, =0b,=ujj/c0状态 2),即当(n + t/)t<r

4、 <(« + 1)7 时(4)x 人2 兀 + b°u py + c?i )0_1/厶1/c052=1/1-1/c0式（3）、（4）中川为整数，id为boost变换器的输出电流，其值可以根据 f环节的负载数据计算出来。1.3逆变主电路模型分析u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，木系 统采用了后者，即双极性控制方式。这种方式的特点是，s|、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厶2，电网电压为u,并网电流为1l2,根据 基尔霍夫定律或者拉格朗日动力学

5、方程可以得到以下各式：-l. = u-ud（当 s1,s4 通，s2,s3 断时）（5）dt一 l 力乙2 = % + ud（当 s1,s4 断，s2,s3通时）（6）dt将（5） （6）合并得：如二丄八丄-（7）dr -l2-l2其屮，规定当$ , s4通，s2, s3断时/ = 1,当si , s4断，s2 , s3通时 / = -lo另外，通过分析逆变屯路的工作原理，还可以确定出与式人2的逻辑 关系：当 /厶2»°，"1 时：=】l2； 当人 2»°，了=一1 时：1d = t l2。当【l2 <0, 了 = 1 时：id =-/l

6、25 当 / 厶 2<0, 了 = -1 时:id =/£2o 由此可知/d可以用一个符号函数与l的乘积来表示：id =sgn（/2n/）-/z2（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-模型进行的。2系统控制原理分析1,s42,s3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。电圧给定值魚一般取电网电压u的13倍。整个电路通过调节pwm信 号的占空

7、比来实现升压和稳压功能。2.2逆变电路控制原理设/；2为并网给定电流，&为待定正实数，定义一个滑模而:(11)(12)(13)s=a(il2-rl2) £ = a(il2 -乙2)s = a(-u + -ud-il2)将式(7)代入上式可得：在理想的滑动模态中，控制作用的切换频率值无穷人，状态轨迹沿着滑模面 作上卜-垂宜运动。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ms)來实现并网电流的“准滑模控制”，y(s)的函数特征 如图8所示图8 切换函数y（s）进一步，可以将切换函数描述为:当s5或者当s <0并且|s|v当s<-8或

8、者当5>0并且|s|v5/ = 17($) = vy = 1(14)式屮5为止实数，表示切换函数的滞回区间。滞回特性使得开关控制的屮心模 态5=0,整个切换控制发生在s二土的两个模态之间。切换频率的高低依赖于 乙2斜率的大小，并不同定。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屮，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cos0 = 1的有源逆变，电流给定信号/；2可

9、直接利用电网电压信号u乘以一实数变量p来生成，而p的取值可通过最大功率 点跟踪（mppt）算法单元的输出电流值/吋来确定（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和控制，一方面保证并 网功率为光伏阵列所能输出的最大功率。h前，关于mppt的算法有很多种，本文提jiit-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，实现光伏阵列最人功率点的全局跟踪。因为在最人功率点几处有dp/dlpv=0,所以有:(9)du pv/dlpvdp/d/py =upv+lpv dupv/dlpv =0(10)式仃0）为电阻增量法达到最大功率

10、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 增量和瞬间电阻來改变控制信号，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stm32fl03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

11、相关参数如电网电压幅值u = 220v ,电网频率©=100龙,l2 = 10ml, c = 220“f并网参考电流幅值/；2=0.54。dc-dc电路输出电压u = 240v ；采样频率f = 5khz 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屮可以看出，逆变电路a、b两点的输岀电）£uab的波形 呈明显的双极性止弦波pwm特征。稳态情况下并网电流乙2与电网电压“同频 同相，因此可以验证木系统并网功率因数能够逼近1的理想指标，但从图屮也可 看出，并网电流含有较大的谐波分量，这止是由滑模控制策略木身存在的非线性 “抖振”