基于滑模矢量控制的光伏并網發電系統研究設計

0 引言

近年來，太陽能光伏發電在新能源發電中的占比越來越大。光伏發電系統與電網之間的互聯通常需要使用逆變器等電子電力轉換器[1]。在光伏并網逆變器應用方面[2-3]，最為廣泛的是集中式結構，即僅使用一個逆變器，其直流側連接到太陽能電池板。然而，這種架構存在一些局限性，即太陽能的利用率和系統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，有學者提出了光伏發電分散式逆變器架構，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式多級逆變器[4]。該變換器結構特點是由標準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，但這種方案的缺點是系統比較復雜，難以工業實現。也有學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，但硬件結構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兩電平逆變器，該方案可以在光伏并網點電壓存在不平衡時將三相電壓注入電網系統，助力并網點電壓恢復。

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

1光伏發電系統滑模矢量控制

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電架構[7]，該結構設計的目的是產生交流多級電壓，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系統相連。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轉換器。這種拓撲結構的優點之一是可以根據大電網需要向電網注入三相平衡或不平衡電能，如當電網系統電壓不平衡發生電壓跌落時，可幫助并網點電壓進行恢復。由于可根據電網電壓跌落深度向電網系統補充因跌落引發的能量損失，反過來也增加了大電網系統的容量。

若要得到多電平逆變器所能產生的所有可用電壓相量，則首先需要定義轉換器的模型。在此模型中，假設將晶體管視為理想開關，其數學描述可表示為：

其中，k∈{1，2，3，4，5，6，7，8，9}，i∈{1，2，3}，j∈{1，2，3}。

由式（1）可得出不同開關狀態下的電壓矢量為：

通過Clark變換可將式（2）由三相電壓矢量轉換為αβ坐標系下的電壓矢量，具體為：

由式（1）（2）（3）可以發現，在αβ0三維空間坐標系下有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系統輸入交流電壓，通過控制電流控制器中的電壓矢量，可以調節實際輸出電流圍繞參考電流變化。

為進一步設計電流控制器，光伏并網發電系統的數學模型為：

從式（4）給出的動態方程中可以得出光伏并網發電系統在αβ0坐標系下的數學模型為：

通過式（5）所示的αβ動態方程，可以設計出電流控制器。由于滑?？刂凭哂恤敯粜詮?、動態性高的優點，交流電流的跟蹤控制采用滑?？刂破鲗崿F。由于光伏發電多電平逆變器需要在電網電壓平衡和不平衡狀態下運行，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比較器量化為15級（Sα）和9級（Sβ和S0），具體如表1所示。

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

2仿真試驗結果分析

通過Matlab仿真軟件對所提出的并網光伏系統和控制方法進行了測試，設定電網電壓為230/400 V，系統頻率為50 Hz，逆變器直流側參考電壓為60 V，采用匝數比為1:5的變壓器，與電網相連的濾波器電感參數為10 mH。

為驗證該控制策略的有效性，分別進行了電網電壓平衡和不平衡狀態下的仿真試驗。圖3所示為光伏并網發電系統流入電網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構可以平衡和不平衡兩種狀態運行的可行性。

為了驗證基于滑?？刂频墓夥⒕W發電系統的動態性能，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，在0.15 s電流發生突變時可瞬間響應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性能。同時為了驗證電網在平衡和不平衡狀態之間切換運行的可靠性和快速性，分別模擬了電網系統平衡狀態切換至不平衡狀態及不平衡狀態切換至不平衡狀態兩種運行模式，如圖4（b）和圖4（c）所示，結果表明，不論電網系統處于什么運行狀態，該控制策略總是具有很好的跟蹤性能和動態響應能力，也說明了該控制策略可普遍適用于電網各種運行狀態。

3 結語

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

審核編輯：劉清