一种离网逆变器的重复滑模控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种离网逆变器的控制方法，尤其是一种基于滑模控制和重复控制的 离网逆变器的控制方法，属于电能变换领域。
【背景技术】
[0002] 分布式发电系统以及可再生能源的发展，逆变器作为与大电网或微电网的接口电 路，其重要性日益凸显。逆变器控制方法必须使得逆变器在任意负载条件下均能够为负载 提供高质量的交流输出。同时，可再生能源系统和分布式发电技术的快速发展，对逆变器的 动态响应性能、稳态跟踪特性以及抗干扰能力提出了更高的要求。以实际参数要求举例说 明：负载自空载到满载切换时，输出电压恢复时间要求不高于2ms，瞬时电压跌落幅度小于 25% ;系统输出稳态时，波形应为正弦波，总谐波畸变率（THD)小于等于2%。
[0003] 目前，常见的高性能逆变器数字控制方法主要有PID控制、自适应控制、无差拍控 制、重复控制和滑模控制等。为了进一步提高逆变器的性能，科技工作者们对现有方法进 行了改进。现有公开号为CN104333253A公开了一种"一种离网逆变器控制方法及系统"， 该控制方法通过加入负载电流微分前馈控制环节及电容电压微分前馈控制环节，从而实现 系统控制量根据负荷变化而变化，进而使得输出电压更稳定。但该控制方法仅提高了逆变 系统的动态特性，且无相关参数证明其控制效果。公开号为CN102111084A公开了一种"单 相DC-AC逆变器的电流波形控制方法及其应用"，该控制方法通过加入多级补偿框以抑制单 相DC-AC逆变器因死区引起的波形交越失真，从而提高单相DC-AC逆变器输出波形正弦度， 减小总谐波畸变率（THD)。虽然通过该方法的改进，逆变器输出总谐波畸变率（THD)降至 2. 36 %，但该指标仍无法满足2 %以内的要求。名称为"基于观测器的单相逆变器控制方法 研宄"的科技论文公开了一种采用滑模控制和观测器提高逆变器动态特性的方法，但其输 出电压恢复时间需要20ms，且瞬时电压跌落幅度为35%，不满足相关规范要求。
[0004] 综上所述，重复控制方法能够有针对性地弥补系统输出波形，因此具有理想的波 形控制效果，但其动态响应速度较慢，存在周期延迟的缺点。滑模变结构控制方法具有动态 响应速度快、对系统参数变化和外界扰动鲁棒性强、数字化实现简单等优点。但是，单独采 用这两种方法均无法使逆变器输出完全满足输出电压恢复时间、瞬时电压跌落幅度、总谐 波畸变率（THD)等参数指标要求。为此，将滑模控制方法与重复控制方法相结合，实现变结 构控制与连续控制的优势互补，进一步满足输出电压恢复时间、瞬时电压跌落幅度、总谐波 畸变率（THD)等参数指标要求。
【发明内容】
本发明要解决的具体技术问题是如何将滑模控制 的动态性能与重复控制的稳态性能集于一体，进一步提高输出电压恢复时间、瞬时电压跌 落幅度、总谐波畸变率（THD)等参数，能够满足现有控制方法均无法同时满足的离网逆变 器在动态性能、稳态跟踪特性以及抗干扰能力等方面的需求，并提供一种离网逆变器的重 复滑模控制方法。
[0005] 本发明解决上述问题以及实现上述目的所采取的技术方案如下：
[0006] -种离网逆变器的重复滑模控制方法，其所述控制方法是基于单相离网逆变器而 实现的重复控制与滑模控制相结合的控制方法，其中：
[0007] 所述单相离网逆变器是在其直流母线上设置稳压电容C，变换器是由功率开关器 件％~V4和与功率开关器件反相并联的二极管DD4构成.变换器分为左右两个桥臂， 功率开关器件％、1和V2、V3分别组成一个桥臂，各桥臂上的功率开关器件控制逻辑互补， 同一桥臂的功率开关器件交替导通关断；不同桥臂功率开关器件的导通关断情况由调制方 式决定；与功率开关器件反相并联二极管Di~D4主要用于负载续流。直流母线电压Ud。经 调制后，在逆变桥输出侧产生电压A，仏经LC滤波后得到正弦电压U。；
[0008] 所述重复控制与滑模控制相结合的控制方法如下：
[0009] 首先将滑模变结构控制方法等效转化为具有相同控制效果的连续控制方法，而后 对滑模等效控制表达式进行数学变换、拆分组合，构成了有跟踪误差校正环节和参考信号 前馈环节两部分的组合结构，并将改进型重复控制方法嵌入结合在滑模等效控制的跟踪误 差校正环节中，通过分析逆变器幅频特性以及反复调试得到理想的控制参数，获得新的重 复滑模控制方法。
[0010] 所述重复控制与滑模控制相结合的控制方法的具体设计步骤如下：
[0011] (1)采集离网单相电压型全桥逆变器的电容电流、和输出电压U。，建立逆变器平 均开关周期模型；
[0012] (2)根据上述步骤（1)中建立的逆变器平均开关周期模型，定义控制变量ijPU。 的跟踪误差4和eu，建立滑模控制的等效控制模型；
[0013] (3)将上述步骤（2)中建立的等效控制模型分解为跟踪误差校正环节GSME和参考 信号前馈环节GSMK两部分，并在GSME输入端嵌入改进型重复控制器GK。，设计重复滑模控制离 网逆变器；
[0014] (4)根据上述步骤（3)设计的重复滑模控制离网逆变器系统的传递函数，建立重 复滑模控制离网逆变器系统跟踪误差表达式及稳定条件；
[0015] (5)根据上述步骤（4)建立的跟踪误差表达式及稳定条件整定重复滑模控制器相 关参数，构建重复滑模控制方法的控制律。
[0016] 在上述技术方案中，进一步的附加技术特征如下。
[0017] 所述离网单相电压型全桥逆变器的平均开关周期模型为，
[0018]
[0019] U()，ic，Ud。分别为逆变器输出电压、电容电流和直流侧电压；为调制波瞬时值；L， C，R为逆变器交流侧的电感、电容和负载电阻；t表示时间。
[0020] 所述控制变量i。和U。的跟踪误差为e种eu所建立的滑模面函数S如下：
[0021]
[0022] 1!_，'{分别为逆变器输出电压和电容电流的跟踪给定值八1和\2为滑模面系 数；推导得到滑模控制的等效控制表达式如下：
[0023]
[0024] 所述等效控制模型分解为跟踪误差校正环节GSME和参考信号前馈环节GSMK两部 分，并在GSME输入端嵌入改进重复控制器GK。，设计重复滑模控制离网逆变器系统的表达式 如下：
[0025]
[0026] '
[0027] 所述改进型重复控制器GK包括误差叠加系数Q(s)、重复控制输出补偿器S(s)= krzkSLPF(s)和周期延迟环节z,〇其中kr为重复控制增益，zk为相位补偿环节，SLPF(s)为 FIR数字低通滤波器；误差叠加系数Q(s)用于改进内模；重复控制输出补偿器S(s)用于补 偿输出电压幅值和相位，以增强系统稳定性；周期延迟环节z_N用于实现控制误差逐周期补 偿。
[0028] 所述重复滑模控制离网逆变器的传递函数如下：
[0029]
[0030]
[0031]
[0032] 所述重复滑模控制离网逆变器的稳定条件如下：
[0033] (1)滑模控制器的稳定稳定条件为l+GSME(s)P(s) = 0的根均需落在复平面虚轴的 左侧；
[0034] (2)重复控制器的稳定条件为 | [l_S(s)H(s)]Q(s) | < 1，s= 。
[0035] 所述重复滑模控制离网逆变器的控制律如下：
[0036] Ur(s) = [GEC(s)+l]GSME(s)E(s)+GSME(s)Uref(s)
[0037] 式中，UMf为输出电压给定，U控制信号。
[0038] 本发明所述一种离网逆变器的重复滑模控制方法中，将滑模控制的动态性能与重 复控制的稳态性能集于一体，进一步提高了逆变器的输出电压恢复时间、瞬时电压跌落幅 度、总谐波畸变率（THD)等参数指标要求，能够满