基于滑模矢量控制的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)研究

張?zhí)旄? 裴旭東

摘要：相比于傳統(tǒng)的集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)具有幾方面的優(yōu)勢，例如更好地利用產(chǎn)生的能量和提高系統(tǒng)的可靠性，因此很多學(xué)者提出通過改變逆變器結(jié)構(gòu)以保證分布式架構(gòu)的正常運行，同時可產(chǎn)生多級電壓。現(xiàn)提出一種基于三相兩電平結(jié)構(gòu)的新型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制方法，該方法基于滑模交流電流控制器實現(xiàn)，并采用空間矢量電壓調(diào)制策略；同時該控制方法將不平衡功率注入電網(wǎng)，以提高功率不平衡時光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)能力。最后，通過仿真試驗驗證了該方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電系統(tǒng)；滑?？刂?；空間矢量電壓調(diào)制；三相兩電平

中圖分類號：TM615? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）10-0001-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.10.001

0? ? 引言

近年來，太陽能光伏發(fā)電在新能源發(fā)電中的占比越來越大。光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的互聯(lián)通常需要使用逆變器等電子電力轉(zhuǎn)換器[1]。在光伏并網(wǎng)逆變器應(yīng)用方面[2-3]，最為廣泛的是集中式結(jié)構(gòu)，即僅使用一個逆變器，其直流側(cè)連接到太陽能電池板。然而，這種架構(gòu)存在一些局限性，即太陽能的利用率和系統(tǒng)的可靠性受限于太陽能電池板對能量的吸收利用情況。因此，為了克服這些不足，有學(xué)者提出了光伏發(fā)電分散式逆變器架構(gòu)，可通過多個逆變器同時連接多個太陽能電池板。

近年來，諸多學(xué)者提出通過采用多電平逆變器解決電壓失真和耦合濾波器依賴問題，其中多級變換器中使用最多的一種是級聯(lián)式多級逆變器[4]。該變換器結(jié)構(gòu)特點是由標(biāo)準(zhǔn)單相兩電平逆變器組成，由于使用了大量的逆變器，因此得到了一個高度分散的系統(tǒng)，但這種方案的缺點是系統(tǒng)比較復(fù)雜，難以工業(yè)實現(xiàn)。也有學(xué)者提出了一種簡化方案[5]：將光伏陣列分為兩組，每組連接兩個兩電平三相VSI，但硬件結(jié)構(gòu)上需要增加一個低頻變壓器。另一種解決方案[6]是使用兩個三相四開關(guān)兩電平逆變器，該方案可以在光伏并網(wǎng)點電壓存在不平衡時將三相電壓注入電網(wǎng)系統(tǒng)，助力并網(wǎng)點電壓恢復(fù)。

基于此，本文提出了一種基于三個兩電平三相逆變器并聯(lián)結(jié)構(gòu)的控制方法，該控制策略基于空間電壓矢量調(diào)制器的滑動電流控制方法具有很好的動態(tài)響應(yīng)和魯棒性。此外，該控制策略通過向電網(wǎng)注入不平衡電流來減少光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)電壓不平衡。最后，通過仿真實驗驗證了該方法的有效性和可行性。

1? ? 光伏發(fā)電系統(tǒng)滑模矢量控制

本文所提控制方法是針對基于模塊化兩電平三相逆變器的分布式光伏發(fā)電架構(gòu)[7]，該結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的是產(chǎn)生交流多級電壓，如圖1所示。

逆變器交流輸出電壓通過低頻變壓器繞組與電網(wǎng)系統(tǒng)相連。每個光伏板組可以連接到每個逆變器，或直接連接到逆變器的直流母線，或通過DC/DC轉(zhuǎn)換器。

這種拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點之一是可以根據(jù)大電網(wǎng)需要向電網(wǎng)注入三相平衡或不平衡電能，如當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)電壓不平衡發(fā)生電壓跌落時，可幫助并網(wǎng)點電壓進行恢復(fù)。由于可根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落深度向電網(wǎng)系統(tǒng)補充因跌落引發(fā)的能量損失，反過來也增加了大電網(wǎng)系統(tǒng)的容量。

若要得到多電平逆變器所能產(chǎn)生的所有可用電壓相量，則首先需要定義轉(zhuǎn)換器的模型。在此模型中，假設(shè)將晶體管視為理想開關(guān)，其數(shù)學(xué)描述可表示為：

由式（1）（2）（3）可以發(fā)現(xiàn)，在αβ0三維空間坐標(biāo)系下有512個電壓相量。為了更好地表達在三個雙向空間中的不同電壓矢量，考慮到V0=VCo1=VCo2=VCo3，在αβ平面上得到54個不同的電壓相量，如圖2所示。

由于逆變器的目的是向電網(wǎng)系統(tǒng)輸入交流電壓，通過控制電流控制器中的電壓矢量，可以調(diào)節(jié)實際輸出電流圍繞參考電流變化。

為進一步設(shè)計電流控制器，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：

從式（4）給出的動態(tài)方程中可以得出光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在αβ0坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

通過式（5）所示的αβ動態(tài)方程，可以設(shè)計出電流控制器。由于滑?？刂凭哂恤敯粜詮?、動態(tài)性高的優(yōu)點，交流電流的跟蹤控制采用滑模控制器實現(xiàn)。由于光伏發(fā)電多電平逆變器需要在電網(wǎng)電壓平衡和不平衡狀態(tài)下運行，因此必須控制三個分量的電流。

由式（5）也可以知道，交流電流的強相對程度為1，故滑?？刂破骰Ｃ鏋椋?/p>

此外，跟蹤控制器必須定義要施加的電壓矢量，因此需要一個電壓調(diào)制器。給定圖2所示的αβ平面的電壓電平，則式（6）所示的每個滑模面的輸出將通過滯環(huán)比較器量化為15級（Sα）和9級（Sβ和S0），具體如表1所示。

設(shè)定λα，β取值區(qū)間分別為λα，β=-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7，則滯環(huán)比較器的輸出即為電壓調(diào)制解調(diào)器的輸入，上述過程將通過開關(guān)表實現(xiàn)。表1所示的開關(guān)表是滑動表面α和β的電壓矢量函數(shù)，可分別分解為α0的函數(shù)和β0的函數(shù)。為了更好地理解該開關(guān)表，舉例說明如下：假設(shè)λα，β取值分別為-7、-2和+3，則αβ平面下的最優(yōu)輸出電壓矢量為34。由于這些相量與0軸的面積正區(qū)相關(guān)，那么該電壓矢量選擇正確。但是，如果滯環(huán)比較器輸出值為-7、-2和-3，則αβ平面下的最優(yōu)輸出電壓矢量不再是34，因為它不能確保與0分量相關(guān)的滑動面將趨于零。

2? ? 仿真試驗結(jié)果分析

通過Matlab仿真軟件對所提出的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)和控制方法進行了測試，設(shè)定電網(wǎng)電壓為230/400 V，系統(tǒng)頻率為50 Hz，逆變器直流側(cè)參考電壓為60 V，采用匝數(shù)比為1：5的變壓器，與電網(wǎng)相連的濾波器電感參數(shù)為10 mH。

為驗證該控制策略的有效性，分別進行了電網(wǎng)電壓平衡和不平衡狀態(tài)下的仿真試驗。圖3所示為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)流入電網(wǎng)電流不同時的電流波形，圖3（a）為注入峰值為20 A平衡電流時的逆變器實際輸出電流波形，圖3（b）為分別注入峰值為28、38、48 A不平衡電流時的逆變器實際輸出電流波形?？梢钥闯?，設(shè)計的電流傳感器具有很好的電流跟蹤性能，同時也驗證了該拓撲結(jié)構(gòu)可以平衡和不平衡兩種狀態(tài)運行的可行性。

為了驗證基于滑?？刂频墓夥⒕W(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)性能，在0.15 s時刻改變參考電流大小。從圖4（a）中可以看出，在0—0.15 s期間，實際輸出電流運行平穩(wěn)，在0.15 s電流發(fā)生突變時可瞬間響應(yīng)并緊密跟蹤新的參考電流變化，說明該控制策略具有很好的動態(tài)性能。同時為了驗證電網(wǎng)在平衡和不平衡狀態(tài)之間切換運行的可靠性和快速性，分別模擬了電網(wǎng)系統(tǒng)平衡狀態(tài)切換至不平衡狀態(tài)及不平衡狀態(tài)切換至不平衡狀態(tài)兩種運行模式，如圖4（b）和圖4（c）所示，結(jié)果表明，不論電網(wǎng)系統(tǒng)處于什么運行狀態(tài)，該控制策略總是具有很好的跟蹤性能和動態(tài)響應(yīng)能力，也說明了該控制策略可普遍適用于電網(wǎng)各種運行狀態(tài)。

3? ? 結(jié)語

本文提出了一種基于三相兩電平逆變器的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)控制策略，將滑模交流電流控制器的輸出量作為電壓空間矢量調(diào)制器的輸入量。仿真試驗結(jié)果表明，該控制策略具有很好的動穩(wěn)態(tài)性能，且該控制器能夠滿足電網(wǎng)系統(tǒng)在平衡和不平衡工況下運行。同時，仿真結(jié)果也驗證了該拓撲結(jié)構(gòu)多電平運行的可行性和有效性。

[參考文獻]

[1] ROMERO-CADAVAL E，F(xiàn)RANCOIS B，MALINOWSKI M，et al.Grid-connected photovoltaic plants：an alternativeenergy source，replacing conventional sources[J].IEEE Industrial Electronics Magazine，2015， 9（1）：18-32.

[2] KOURO S，LEON J I，VINNIKOV D，et al.Grid-connected photovoltaic systems：an overview of recent research and emerging PV converter technology[J].IEEE Industrial Electronics Magazine，2015， 9（1）：47-61.

[3] BENANTI S，BUCCELLA C，CARUSO M，et al.Experimental analysis with FPGA controller-based of MC PWM techniques for three-phase five level cascaded H-bridge for PV applications[C]// 2016 IEEE International Conference on Renewable Energy Research and Applications（ICRERA），2016：1173-1178.

[4] 劉景龍，郭韻.分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)數(shù)字化建模與仿真[J].計算機仿真，2022，39（9）：96-100.

[5] 郭威，王君艷.H6橋單相光伏并網(wǎng)逆變器控制策略研究[J].電氣自動化，2020，42（3）：31-33.

[6] 劉艷，顧雪平，李軍.用于暫態(tài)穩(wěn)定評估的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入特征離散化方法[J].中國電機工程學(xué)報，2005，25（15）：56-61.

[7] 王瀚博.光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率跟蹤方法及并網(wǎng)控制研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2018.

收稿日期：2023-01-31

作者簡介：張?zhí)旄＃?994—），男，甘肅人，助理工程師，研究方向：高低壓電器產(chǎn)品試驗。

通信作者：裴旭東（1990—），男，甘肅人，高級工程師，研究方向：發(fā)輸變電工程及高電壓技術(shù)。