一种光伏并网逆变器控制方法与流程

本发明涉及一种光伏并网逆变器控制方法，具体涉及一种采用模型参考自适应和反演全局快速终端滑模混合算法的光伏并网逆变器控制方法，属于控制系统技术领域。

背景技术：
小型光伏并网系统通常采用两级式高频不带隔离变压器的电路拓扑结构。即前级采用Boost电路实现DC-DC变换，后级采用高频逆变器实现DC-AC变换。在Boost电路中通过最大功率点跟踪MaximunPowerPointTracking(MPPT)控制，提高发电能力。近年来，光伏系统并网发电得到快速发展。但是光伏发电本身具有不稳定性的特点，其并网电能的质量和发电效率受外界环境温度、光照强度、系统结构参数不确定性和外界干扰等多种因素的影响，因而有效的逆变器控制算法是解决光伏系统并网问题的关键。传统的滞环比较逆变器控制方法不能有效处理系统不确定性和扰动问题，从控制机理上就存在抖振现象，当系统环境突变时自动跟踪性能较差；而普通滑模控制方法无法保证系统在有限时间内收敛到滑模面，渐进收敛的速度较慢。

技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光伏并网逆变器控制方法。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种光伏并网逆变器控制方法，包括以下步骤，步骤一，根据电路定理和状态空间平均法建立逆变器数学模型；其中，状态变量vac为逆变器交流侧输出电压，vdc逆变器直流侧电压，Cac和Lac分别为逆变器交流侧电容和电感，RL为电网负载，D为逆变器占空比，为干扰项，为外界干扰，Δ1和Δ2分别为由电容和电感的参数引起的误差项；步骤二，设计逆变器控制器；A1)构造虚拟控制函数；定义控制目标为逆变器交流侧输出电压vac，参考电压为电网工频正弦交流电压令跟踪偏差则则虚拟控制函数为，其中，c1为一个大于零的实数；A2)选取Lyapunov函数，V1的导数为，如果e2＝0，那么所以需要设计新的Lyapunov函数；A3)定义滑模面为，其中，α,β是滑模面常数，p1，p2为正奇数，且p1＞p2；将虚拟控制函数和跟踪偏差代入可得，则A4)加入模型参考自适应控制，设计新的Lyapunov函数；根据干扰项的性质，假设自适应控制律设计按照下式进行，其中，正常数m0,m1和m2为自适应增益，和分别是b0,b1和b2的估计值，b0,b1,b2为正的未知参数；新的Lyapunov函数为，其中，i＝0、1、2，是b0,b1,b2的估计误差；新的Lyapunov函数求导可得，A5)采用模型参考自适应和反演全局快速终端滑模混合算法的控制律为，其中，所述逆变器所在的单相光伏并网发电系统结构为两级式高频不隔离并网电路。所述逆变器结构为全桥电压型逆变器。通过在逆变器控制器中设计边界层，来降低滑模控制的抖振现象。通过设置p1,p2的范围满足全局快速终端滑模非奇异的要求。本发明所达到的有益效果：1、本发明所述的逆变器控制方法能够满足鲁棒性、稳定性和快速性的要求，当系统环境发生突变时，控制算法能可靠工作，使得光伏逆变器输出稳定的正弦交流电压；2、本发明采用模型参考自适应控制进行控制率设计，达到自动跟踪扰动的目的；3、本发明满足逆变器动态响应的要求，使得控制具有鲁棒性；4、本发明的反演控制把系统分解为降阶的子系统，为子系统设计Lyapunov函数和虚拟控制函数保证控制稳定性；5、本发明的全局快速终端滑模控制提高系统收敛速度，对可能出现的奇异问题通过参数设计进行避免。附图说明图1为单相光伏并网发电系统结构图。图2为S1、S4导通时的电路。图3为逆变器控制器设计结构图。图4为标准工作状态下逆变器输出电压与参考并网电压对比图。图5为光照和温度变化图。图6为光照和温度变化下的逆变器输出波形图。其中，图1中CPV和LPV分别为光伏电池侧电容和电感,vPV和iPV分别光伏电池侧电压和电流，S为Boost电路的开关管，Cdc为Boost电路升压输出侧电容，vdc和idc分别为逆变器直流侧电压和电流，S1～S4为逆变器开关管，Cac和Lac分别为逆变器交流侧电容和电感，vac为逆变器交流侧输出电压，iL为电网负载电流，RL为电网负载,vac*为并网参考电压。图3中为并网参考电压一阶导数，为逆变器交流侧输出电压一阶导数，e1为跟踪偏差，e2为虚拟控制函数，c1,c2为大于零的实数，α,β为滑模面常数，p1,p2为正奇数，sc为滑模面，δ为边界层厚，为未知参数估计值，m0,m1,m2为自适应增益，D1为逆变器占空比阶段值，D为逆变器占空比。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。如图1所示，一种光伏并网逆变器控制方法，包括以下步骤：步骤一，根据电路定理和状态空间平均法建立逆变器数学模型。逆变器所在的单相光伏并网发电系统结构为两级式高频不隔离并网电路，具体如图1所示，由光伏阵列、Boost升压电路(即DC-DC电路)、逆变电路(DC-AC电路)和负载组成。前级Boost电路，通过对PWM(脉冲宽度调制)控制实现MPPT和DC-DC升压变换；后级为逆变器，通过PWM控制开关管的导通和截断，实现DC-AC变换，提供符合标准的交流电能并网。这种电路在逆变器结构中省去了的工频变压器，因而具有效率高、重量轻的优点，在小功率分布式光伏发电系统中得到广泛应用。逆变器结构为全桥电压型逆变器，如图1中DC-AC部分所示，设S1～S4为理想开关管，一个周期内S1、S4导通的时间占周期的比例为D，S2、S3导通的时间占周期的比例为1-D。S1、S4导通时的电路如图2所示，根据电路定理可知，其中，iac逆变器交流侧输出电流；同理可知当S2、S3导通时有，根据状态空间平均法，则一个周期内逆变器的数学模型可以描述为(1)式×D+(2)式×1-D，即，对求导可得，把带入(4)后得，令状态变量对逆变器建立状态方程如下，考虑到实际应用中逆变器会受到参数不确定性、外界因素的干扰，加入干扰项的方程为,式中,Δ1和Δ2分别为由电容和电感的参数引起的误差项，为干扰项，为外界干扰,则(7)式变为(8)式即为考虑到系统结构参数不确定性和外界干扰项的逆变器数学模型。步骤二，设计逆变器控制器。根据光伏电池的物理特性可知，光照强度和环境温度的改变会对电池输出vPV、iPV产生影响，从而影响升压电路vdc的输出。由公式(8)可知，vdc和φ(t)的变化会引起状态变量x1的波动。故提出对光伏逆变器采用模型参考自适应控制和反演全局快速终端滑模控制，达到逆变器自动跟踪外界扰动，削弱抖振的目的。控制器设计结构图如图3所示，设计思路如下：首先根据被控对象的性质，设计一个被控对象的参考模型，要求该参考模型能够跟踪上被控对象的动态响应；其次，如果被控对象参数未知或存在的未知干扰，采取参数估计值取代系统中的未知参数，其中参数估计值根据设计的自适应控制律动态调整；然后，采用反演全局快速终端滑模控制，构造出包含跟踪误差和参数估计误差的Lyapunov方程，再基于Lyapunov稳定性理论设计出控制器的控制律。当被控对象与参考模型之间存在误差时，自适应律根据误差信息来修正控制器参数，使误差逐渐趋于零。反演控制将系统分解为不超过系统阶数的子系统，为每个子系统设计Lyapunov函数和中间虚拟量，一直后退到整个系统，以此设计出控制率。由于逆变器是典型的非线性系统，反演方法适合对复杂的非线性系统进行分解，并保留所有的非线性信息。为扩大控制方法的适用范围，将反演控制与滑模控制相结合，提高控制器的鲁棒性。全局快速终端滑模控制是在普通线性滑模面的基础上加入非线性项，使得系统在远离平衡状态时快速收敛，保证状态跟踪误差能够在有限时间内到达零。反演全局快速终端滑模控制能够在保证控制稳定性的基础上，加快控制速度。逆变器控制器包括模型参考自适应控制设计和反演全局快速终端滑模控制设计。设计逆变器控制器具体步骤如下：A1)构造虚拟控制函数。定义控制目标为逆变器交流侧输出电压vac，并网参考电压vac*为电网工频正弦交流电压，令跟踪偏差e1＝vac-vac*，则则虚拟控制函数为，其中，c1为一个大于零的实数。A2)选取Lyapunov函数，V1的导数为，如果e2＝0，那么所以需要设计新的Lyapunov函数。A3)定义滑模面为，其中，α,β是滑模面常数，p1，p2为正奇数，且p1＞p2；根据公式(10)和(9)可知，则根据公式(9)和(8)可得，当系统远离平衡状态时，非线性部分能够使得系统呈指数级数收敛，当系统接近平衡状态时线性部分αe1的收敛速度比非线性部分快，使得系统全局快速收敛。A4)加入模型参考自适应控制，设计新的Lyapunov函数。模型参考自适应控制设计如下：根据干扰项的性质，假设其中，b0,b1,b2为正的未知常数。设和分别是b0,b1和b2的估计值，按照下式进行自适应控制律设计，以实现对未知参数b0,b1,b2的估计，即式中，正常数m0,m1和m2为自适应增益；设是b0,b1,b2的估计误差，因为b0,b1,b2正的未知常数，所以有导数新的Lyapunov函数为，新的Lyapunov函数求导，根据式(12)和(16)可得，A5)采用模型参考自适应(MRAC)和反演全局快速终端滑模(BGFTSMC)混合算法的控制律为，其中，将式(21)带入式(20)，并结合式(15)可得，当c1和c2＞0时有跟踪轨迹在有限时间内到达了滑模面，并停留在滑模面上，系统满足李雅普诺夫第二稳定性定理条件。说明根据式(21)设计的占空比D使得跟踪偏差e1为零，即控制逆变器输出交流电压vac趋近于电网参考电压，故根据自适应参数设计的控制律能够满足逆变器系统的稳定性要求。为了进一步降低滑模控制的抖振现象，在逆变器控制器中设计边界层提高系统的跟踪性能。其中，δ＞0，为边界层厚。在设计的控制律中，(21)中含有项，当e1＝0时可能会导致奇异问题。奇异问题可以通过参数设计来避免，根据滑模面公式(14)，当到达滑模面时，sc＝0，所以设计正奇数p1,p2的范围为p2＜p1＜2p2，即可保证和不奇异，因而不奇异。在本发明中令p1＝5,p2＝3以满足非奇异设计的要求。全局快速终端滑模控制通过参数设置，可以证明会在有限时间内到达滑模面。证明过程如下：当到达滑模面时sc＝0，根据公式(14)，可以得到定义则则重新改写(24)为解此一阶常系数线性微分方程，有当t＝0时，C＝y(0)，则(27)为设到达平衡点(满足e1＝0且y＝0)的时间为ts，公式(28)变成因此，即所以证明出从初始状态e1(0)≠0到平衡状态e1(ts)＝0的时间ts满足下式说明通过设定α,β,p1,p2，使得系统在有限时间内到达平衡状态。系统参数设置如表一所示。表一系统参数表当光照强度为1000W/m2，环境温度为25℃时，光伏逆变器交流结果输出如图4所示。从图中可以看出，逆变器在经过7个周波的暂态过程后，输出工频正弦交流电，并稳定运行。说明逆变器的控制算法有效。考虑到实际光伏系统运行过程中的光照强度和环境温度会随时发生变化，图5模拟了0.6秒的时间内发生几次阶跃变化，图6记录下逆变器交流电压输出和光伏电池输出功率。发现交流电压在7个周波后即稳定，当光照和温度发生变化时，交流电压输出基本不受影响，说明逆变控制器能够稳定工作，算法鲁棒性较强，能够适应不同的工作状态。上述方法采用模型参考自适应控制进行控制率设计，达到自动跟踪扰动的目的；上述方法满足逆变器动态响应的要求，使得控制具有鲁棒性；上述方法的反演控制把系统分解为降阶的子系统，为子系统设计Lyapunov函数和虚拟控制函数保证控制稳定性；上述方法的全局快速终端滑模控制提高系统收敛速度，对可能出现的奇异问题通过参数设计进行避免。综上所述，本发明所述的逆变器控制方法能够满足鲁棒性、稳定性和快速性的要求，当系统环境发生突变时，控制算法能可靠工作，使得光伏逆变器输出稳定的正弦交流电压。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。