基于滑模矢量控制的光伏并网发电系统研究设计

0  引言

近年来，太阳能光伏发电在新能源发电中的占比越来越大。光伏发电系统与电网之间的互联通常需要使用逆变器等电子电力转换器[1]。在光伏并网逆变器应用方面[2-3]，最为广泛的是集中式结构，即仅使用一个逆变器，其直流侧连接到太阳能电池板。然而，这种架构存在一些局限性，即太阳能的利用率和系统的可靠性受限于太阳能电池板对能量的吸收利用情况。因此，为了克服这些不足，有学者提出了光伏发电分散式逆变器架构，可通过多个逆变器同时连接多个太阳能电池板。

近年来，诸多学者提出通过采用多电平逆变器解决电压失真和耦合滤波器依赖问题，其中多级变换器中使用最多的一种是级联式多级逆变器[4]。该变换器结构特点是由标准单相两电平逆变器组成，由于使用了大量的逆变器，因此得到了一个高度分散的系统，但这种方案的缺点是系统比较复杂，难以工业实现。也有学者提出了一种简化方案[5]：将光伏阵列分为两组，每组连接两个两电平三相VSI，但硬件结构上需要增加一个低频变压器。另一种解决方案[6]是使用两个三相四开关两电平逆变器，该方案可以在光伏并网点电压存在不平衡时将三相电压注入电网系统，助力并网点电压恢复。

基于此，本文提出了一种基于三个两电平三相逆变器并联结构的控制方法，该控制策略基于空间电压矢量调制器的滑动电流控制方法具有很好的动态响应和鲁棒性。此外，该控制策略通过向电网注入不平衡电流来减少光伏发电系统并网电压不平衡。最后，通过仿真实验验证了该方法的有效性和可行性。

1  光伏发电系统滑模矢量控制

本文所提控制方法是针对基于模块化两电平三相逆变器的分布式光伏发电架构[7]，该结构设计的目的是产生交流多级电压，如图1所示。逆变器交流输出电压通过低频变压器绕组与电网系统相连。每个光伏板组可以连接到每个逆变器，或直接连接到逆变器的直流母线，或通过DC/DC转换器。这种拓扑结构的优点之一是可以根据大电网需要向电网注入三相平衡或不平衡电能，如当电网系统电压不平衡发生电压跌落时，可帮助并网点电压进行恢复。由于可根据电网电压跌落深度向电网系统补充因跌落引发的能量损失，反过来也增加了大电网系统的容量。

若要得到多电平逆变器所能产生的所有可用电压相量，则首先需要定义转换器的模型。在此模型中，假设将晶体管视为理想开关，其数学描述可表示为：

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

由式（1）可得出不同开关状态下的电压矢量为：

通过Clark变换可将式（2）由三相电压矢量转换为αβ坐标系下的电压矢量，具体为：

由式（1）（2）（3）可以发现，在αβ0三维空间坐标系下有512个电压相量。为了更好地表达在三个双向空间中的不同电压矢量，考虑到V0=VCo1=VCo2=VCo3，在αβ平面上得到54个不同的电压相量，如图2所示。由于逆变器的目的是向电网系统输入交流电压，通过控制电流控制器中的电压矢量，可以调节实际输出电流围绕参考电流变化。

为进一步设计电流控制器，光伏并网发电系统的数学模型为：

从式（4）给出的动态方程中可以得出光伏并网发电系统在αβ0坐标系下的数学模型为：

通过式（5）所示的αβ动态方程，可以设计出电流控制器。由于滑模控制具有鲁棒性强、动态性高的优点，交流电流的跟踪控制采用滑模控制器实现。由于光伏发电多电平逆变器需要在电网电压平衡和不平衡状态下运行，因此必须控制三个分量的电流。

由式（5）也可以知道，交流电流的强相对程度为1，故滑模控制器滑模面为：

此外，跟踪控制器必须定义要施加的电压矢量，因此需要一个电压调制器。给定图2所示的αβ平面的电压电平，则式（6）所示的每个滑模面的输出将通过滞环比较器量化为15级（Sα）和9级（Sβ和S0），具体如表1所示。

设定λα，β取值区间分别为λα，β=-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7，则滞环比较器的输出即为电压调制解调器的输入，上述过程将通过开关表实现。表1所示的开关表是滑动表面α和β的电压矢量函数，可分别分解为α0的函数和β0的函数。为了更好地理解该开关表，举例说明如下：假设λα，β取值分别为-7、-2和+3，则αβ平面下的最优输出电压矢量为34。由于这些相量与0轴的面积正区相关，那么该电压矢量选择正确。但是，如果滞环比较器输出值为-7、-2和-3，则αβ平面下的最优输出电压矢量不再是34，因为它不能确保与0分量相关的滑动面将趋于零。

2  仿真试验结果分析

通过Matlab仿真软件对所提出的并网光伏系统和控制方法进行了测试，设定电网电压为230/400 V，系统频率为50 Hz，逆变器直流侧参考电压为60 V，采用匝数比为1:5的变压器，与电网相连的滤波器电感参数为10 mH。

为验证该控制策略的有效性，分别进行了电网电压平衡和不平衡状态下的仿真试验。图3所示为光伏并网发电系统流入电网电流不同时的电流波形，图3（a）为注入峰值为20 A平衡电流时的逆变器实际输出电流波形，图3（b）为分别注入峰值为28、38、48 A不平衡电流时的逆变器实际输出电流波形。可以看出，设计的电流传感器具有很好的电流跟踪性能，同时也验证了该拓扑结构可以平衡和不平衡两种状态运行的可行性。

为了验证基于滑模控制的光伏并网发电系统的动态性能，在0.15 s时刻改变参考电流大小。从图4（a）中可以看出，在0—0.15 s期间，实际输出电流运行平稳，在0.15 s电流发生突变时可瞬间响应并紧密跟踪新的参考电流变化，说明该控制策略具有很好的动态性能。同时为了验证电网在平衡和不平衡状态之间切换运行的可靠性和快速性，分别模拟了电网系统平衡状态切换至不平衡状态及不平衡状态切换至不平衡状态两种运行模式，如图4（b）和图4（c）所示，结果表明，不论电网系统处于什么运行状态，该控制策略总是具有很好的跟踪性能和动态响应能力，也说明了该控制策略可普遍适用于电网各种运行状态。

3  结语

本文提出了一种基于三相两电平逆变器的分布式光伏发电系统控制策略，将滑模交流电流控制器的输出量作为电压空间矢量调制器的输入量。仿真试验结果表明，该控制策略具有很好的动稳态性能，且该控制器能够满足电网系统在平衡和不平衡工况下运行。同时，仿真结果也验证了该拓扑结构多电平运行的可行性和有效性。

审核编辑：刘清