专利名称：：单级三相光伏并网系统的模糊滑模控制方法
技术领域：
：本发明涉及一种单级三相光伏并网系统的模糊滑模控制方法，属于光伏发电系统控制技术应用领域。
背景技术：
：对于光伏并网系统而言，最主要的问题是如何提高系统的发电效率以及整个系统的工作稳定性。单级式光伏并网系统由于只有一个能量变换环节，系统具有简单的结构，较高的效率和稳定性，已成为国内外的研究热点。一般，其控制系统采用多环控制，即首先由最大功率点跟踪MPPT方法，如目前常用的扰动观察法，给出光伏阵列最大功率点参考电压IU,再通过由电压PI控制器和同步矢量电流PI控制器所组成的双闭环控制系统控制光伏阵列输出电压Upv跟踪Uf。但是，由于太阳光照强度的不确定性、光伏阵列温度的变化以及光伏阵列输出功率-电压特性曲线的非线性特征，使得光伏并网系统的电流内环控制成为一个非常复杂的问题，一般采用的同步矢量电流PI控制器的鲁棒性较差，并且当外部环境条件急剧变化时，动态响应性能较慢，同时会产生超调现象。经对现有技术的文献检索发现，I1-SongKim在2006年发表的"Robustmaximumpowerpointtrackerusingslidingmodecontrollerforthethree-phasegrid-connectedphotovoltaicsystem"(用于三相光伏并网系统的使用滑冲莫控制器的鲁棒最大功率点跟踪器)一文中，对单级三相光伏并网系统的电流内环控制器提出了一种积分型滑模控制方法。滑模控制是一种非线性鲁棒控制方法，主要用于处理由于外部干扰以及系统内部参数摄动等导致的系统建模不精确的问题，优点正是在于即使模型不精确，其也能良好的维持系统的稳定性和鲁棒性，这非常适合于光伏并网这种强非线性系统。但是，滑模控制自身也存在缺点，主要为1.实际的滑模控制系统由于切换开关非理想等因素的影响，使滑动模态产生高频抖振，这就是滑模控制系统中所特有的"抖振"现象。当外部干扰或内部参数摄动加大时，要保证系统稳定，就必须用更大的控制量，而这又将进一步加剧抖振；2.系统初始启动阶段的响应时间直接关系到系统的动态响应性能，一般，滑模控制器中滑模的运动按时间先后顺序可分为两个阶段，第一阶段是趋近阶段，即系统状态轨迹从初始状态到达滑模面的趋近阶段，第二阶段是滑动阶段，即系统状态轨迹到达滑模面后，在滑模面上的滑动阶段。趋近阶段的时间非常重要，因为只有当滑模在有限时间内快速到达滑模面上，在滑模面上滑动时，滑模控制的鲁棒性才会充分表现出来，而积分型滑模控制器在系统初始启动阶段，即趋近阶段的响应时间还有待进一步改进。
发明内容本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提出一种鲁棒性强、稳定性好和动态响应速度快的单级三相光伏并网系统的模糊滑模控制方法。该方法首先通过引入前馈补偿，快速补偿逆变器输出的d、q轴电流id、i,之间相互耦合的部分，实现ia与iq间的快速动态解耦；接着，通过对积分型滑模控制器引入指数趋近律控制，来提高滑模控制系统的动态性能，加快系统初始启动阶段的响应速度，确保系统状态轨迹在尽可能短的时间内，快速平滑地进入对系统干扰具有良好鲁棒性能的滑模面内运动；最后，引入模糊控制来弱化一般滑模控制在滑模面内存在的抖振现象，柔化滑模控制器的输出，提高系统的稳态性能。本发明是通过以下技术方案实现1)检测市电电网的A、B、C三相电压信号，通过锁相环PLL方法求出电网电压矢量旋转角度e,同时利用旋转角度6和电网A、B、C三相电压信号计算电网电压的d、q轴直流分量e"e"2)检测逆变器输出端A、B、C三相电流信号，利用步骤(l)中的旋转角度6进行dq旋转矢量变换，得到同步旋转dq轴坐标系下的直流电流成分id、U;3)检测光伏阵列输出电压Upv和电流IPV,采用常用的最大功率点跟踪MPPT方法_一扰动观察法，求得当前环境条件下的光伏阵列最大功率点参考电压Uf;4)由步骤(3)得到的光伏阵列输出电压Upv与由步骤(3)得到的Uref的差值经过比例积分PI调节器后得到逆变器输出的d轴参考电流rd，为使逆变器输出电流与电网电压同相位，设置逆变器输出的q轴参考电流i>0,再根据步骤(2)得到的电流id和iq，由式(1)得到逆变器输出的d轴电流的滑模s,和q轴电流的滑模s2，式(l)中d和C2分别为逆变器输出的d、q轴电流的滑模的积分系数，t为时间；A-~+cil(《-"力<,(1)5)令i=l、2,将步骤(4)得到的Sl和Sl的导数;作为第一模糊控制器的输入，依次经过模糊化、模糊推理和反模糊化后，得到第一模糊控制器的输出量P!，将步骤(4)得到的S2和S2的导数二作为第二模糊控制器的输入，依次经过模糊化、模糊推理和反模糊化后，得到第二模糊控制器的输出量p2,其中Si、;和Pi的模糊集均取为7个，表示为(NB-负大，腿=负中，NS-负小，ZE-零，PS-正小，PM-正中，PB-正大}，第一模糊控制器所采用的49条模糊规则和第二模糊控制器所采用的49条模糊规则均为下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>6)根据步骤(1)、(2)、(4)和(5)得到的ed、eq、id、iq、i'd、i\、p,和p2,其中，i'q=0,由式(2)求得逆变器输出的d轴参考电压u'd和q轴参考电压u',，式(2)中Z和i分别为逆变器输出侧电抗器的电感和电阻，k,和k2分别为逆变器输出d、q轴电流的滑模的指数衰减系数，k。为前馈补偿系数；w:=&d+^+c,(/:-"+A:^+aM=A;cz:+W《+e+C2"Z'_々)+、512+P27)利用步骤(1)得到的旋转角度6将步骤(6)得到的u'd和u',进行派克Park逆变换，得到二相静止坐标系下的u'a和u'e,然后采用空间矢量脉宽调制SVPWM方法，经数字信号处理器DSP处理得到6路脉宽调制PWM脉冲。本发明与现有技术相比，具有以下有益效果1)鲁棒性强。滑模控制是一种非线性鲁棒控制方法，它主要用于处理建模的不精确性，其即使模型不精确，也能良好的维持系统的鲁棒性；同时，模糊控制的最大特点是将专家的经验和知识表示为语言规则用于控制，不依赖于被控对象的精确数学模型，能克服非线性因素影响，对被调节对象的参数具有较强的鲁棒性，因此，模糊控制与滑模控制的结合将更能提高光伏并网控制系统的鲁棒性；2)稳定性好。由于模糊控制不依赖于被控对象的精确数学模型，能克服非线性因素影响，对被调节对象的参数具有较强的鲁棒性，因此，用模糊控制器的输出量来取代一般滑模控制中的开关切换量，即利用模糊算法柔化滑模控制器的输出量，大大减轻一般滑模控制的抖振现象。同时，由于所采用的滑模中具有积分项，如式(1)所示，因此，可以有效消除逆变器输出的d、q轴电流id、ia分别对其参考电流i'd、i',跟踪的稳态误差；3)动态响应速度快。式(2)中kiS为呈指数规律变化的控制分量，即指数趋近律控制，当系统状态轨迹离滑模线si=0的距离越远时，控制量呈指数级地快速增力口，极大地缩短系统初始启动阶段的响应时间，而当系统状态轨迹离滑模线s产0的距离越近时，则控制量又呈指数级地快速衰减，确保系统状态轨迹平滑地进入对系统干扰具有良好鲁棒性能的滑模面(即滑模线s产0附近)内运动；同时，应用前馈补偿来快速补偿逆变器输出的d、q轴电流id、i,之间相互耦合的部分，实现id与ij'司的快速动态解耦。图1为单级三相光伏并网系统拓朴结构和控制框图。图2为模糊滑模控制方法框图。图3(a)、(b)和(c)分别为模糊控制器的输入量Si、;及输出量Pi的隶属度函数。图4(a)为光照强度变化曲线，(b)为逆变器输出的d轴电流id及其参考电流i、的变化曲线，(c)为逆变器输出的q轴电流iq及其参考电流i'q的变化曲线，(d)为逆变器输出的d轴电流的滑才莫s,的运动轨迹，(e)为光照强度为600W/i^时，逆变器输出的d轴电流的滑模s,的运动轨迹。具体实施例方式本发明具体是通过以下技术方案实现1)检测市电电网的A、B、C三相电压信号，通过锁相环PLL方法求出电网电压矢量旋转角度e,同时利用旋转角度6和电网A、B、C三相电压信号计算电网电压的d、q轴直流分量ed、eq;2)检测逆变器输出端A、B、C三相电流信号，利用步骤(l)中的旋转角度e进行dq旋转矢量变换，得到同步旋转dq轴坐标系下的直流电流成分id、i,;3)检测光伏阵列输出电压Up,和电流Ipv,采用常用的最大功率点跟踪MPPT方法一—扰动观察法，求得当前环境条件下的光伏阵列最大功率点参考电压IU,扰动观察法的基本原理为周期性地给光伏阵列最大功率点参考电压IU增加扰动，比较光伏阵列输出功率Ppv与前一周期的输出功率的大小，如果功率增加则在下一个周期以相同方向加护L动；否则，以相反方向加护L动；4)由步骤(3)得到的光伏阵列输出电压IU与由步骤(3)得到的Uf的差值经过比例积分PI调节器后得到逆变器输出的d轴参考电流i'd,为使逆变器输出电流与电网电压同相位，设置逆变器输出的q轴参考电流i>=0,再根据步骤(2)得到的电流L和ia,由式(1)得到逆变器输出的d轴电流的滑模s,和q轴电流的滑模s2，式(1)中c,和C2分别为逆变器输出的d、q轴电流的滑模的积分系数，t为时间；<*。，*(1)s2=(-z《+c2j。o.:-5)令i=l、2,将步骤(4)得到的s/和Si的导数;作为第一模糊控制器的输入，依次经过模糊化、模糊推理和反模糊化后，得到第一模糊控制器的输出量p,，将步骤(4)得到的32和32的导数/2作为第二模糊控制器的输入，依次经过模糊化、模糊推理和反模糊化后，得到第二模糊控制器的输出量p2，其中Si、^和Pi的模糊集均取为7个，表示为(NB-负大，NM-负中，NS-负小，ZE二零，PS-正小，PM=正中，PB-正大},第一模糊控制器所采用的49条模糊规则和第二模糊控制器所采用的49条模糊规则均为下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>49条模糊规则的总的制定原则为尽量减小到达滑模线s,O时系统的抖动，具体为根据滑模Si和它的导数s,.来决定模糊控制器的输出量Pi,如其中一条规则为如果"s严NB，;.=NB",贝'j"Pi=NB"。当s严O日于，贝'Ji^严id且i—产U,即实现了无静差跟踪；当S^0时，模糊控制将有效弱化滑模线Si=0附近的抖振，尽可能使滑模Si在滑模线Si=0附近的最小范围内滑动；6)根据步骤(1)、(2)、(4)和(5)得到的ed、eq、id、U、i'd、i\、Pi和p2，其中，i'q=0,由式(2)求得逆变器输出的d轴参考电压u'd和q轴参考电压u'q,式(2)中丄和/分别为逆变器输出侧电抗器的电感和电阻，ki和k2分别为逆变器输出d、q轴电流的滑模的指数衰减系数，k。为前馈补偿系数；式(2)中kiS为呈指数规律变化的控制分量，其原理为当系统状态轨迹离滑模线s，O的距离越远时，控制量呈指数级增加，极大地缩短系统初始启动阶段的响应时间，而当系统状态轨迹离滑模线s严O的距离越近时，则控制量又呈指数级衰减，确保系统状态轨迹平滑地进入对系统干扰具有良好鲁棒性能的滑模面(即滑模线s产O附近)内运动，ki越大则衰减得越快，ki的大小要根据系统性能要求和系统所能提供的最大控制量来综合决定；Pi为对系统模型不确定部分(如外界干扰和内部参数摄动)进行估计的控制分量，一旦Si进入滑模面，模糊控制则利用自身的鲁棒性来有效弱化系统存在的抖振问题，柔化滑模控制器的输出；k。i'd为用于对系统进行前馈补偿的控制分量，其作用是快速补偿逆变器输出的d、q轴电流id、i,之间相互耦合的部分，实现丄与ij'司的快速动态解耦；":=%+&+ci"《一"+Vi+A、*,(2)w=++%+c2w-)+&2s2+_p27)利用步骤(1)得到的旋转角度6将步骤(6)得到的u'd和u',进行派克Park逆变换，得到二相静止坐标系下的u'。和u、，然后采用空间矢量脉宽调制SVPM方法，经数字信号处理器DSP处理得到6路脉宽调制PWM脉冲。下面参照附图并结合Matlab/Siraulink&Simpowersystems对lOkW单级三相光伏并网系统的仿真实例对本发明作进一步的详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。系统拓朴结构及控制框图如图1所示，此例所采用的1OkW光伏阵列标准环境条件(光照强度R4kW/m2,环境温度T-25。C)下参数为最大功率点电压U,-390V,最大功率点电流Iax=26A，开路电压U。^506V，短路电流Is,30A,系统电路参数为电容器电容C-O.012F,电抗器电感L-O.018H,电抗器电阻R-O.08Q,仿真步长Ts-50yS。电容器两端的初始电压，即光伏阵列输出电压Upv的初始值为319.OV(在光照强度为100W/i^时的最大功率点处)，光伏阵列最大功率点参考电压lLf初始值取为319.IV，光伏阵列输出电压Upv和电流Ipv的采样周期均为2.5ms。由最大功率点跟踪MPPT方法，如扰动观察法，得到当前采样时刻的光伏阵列最大功率点参考电压IU后，再通过由电压PI控制器和模糊滑模控制器所组成的双闭环控制系统来实现光伏阵列输出电压U。v对IU的快速准确的跟踪。电压比例积分PI调节器的参数分别为kp=10,k产900;模糊滑模控制器参数k产k产l.5,Cl=c2=1000;前馈补偿系数K1。模糊滑模控制方法框图如图2所示，模糊滑模控制器中的模糊控制器的两个输入量分别为滑模Si和Si的导数s,.,输出量为Si、和Pi均采用7个模糊子集的三角形隶属度函数，分别如图3(a)、(b)、(c)所示，定义模糊集合为{NB-负大，NM=负中，NS=负小，ZE-零，PS二正小，PM=正中，PB-正大}。Si、&和Pi的量化因子均取为1,论域分别为[-3,3]，[-5000，5000]和[-2,2]。首先，Si和s,.分别通过如图3(a)、(b)所示的三角形隶属度函数得到相应的模糊量，然后，按本发明模糊规则表所示的49条模糊规则运算得到模糊控制器的输出模糊量，最后，根据图3(c)的三角形隶属度函数，采用重心法将模糊量反模糊化，得到精确的模糊控制器的输出量Pi。采用本发明方法的仿真效果如图4所示，由图可见1)鲁才奉性强。由图4(a)和(d)可见，0.5s时光照强度由300W/i^突变至600W/r^时，逆变器输出的d轴电流的滑模s,几乎没有任何变化；由图4(b)和(c)可见，逆变器输出的d轴电流L从0.24标么值(P.U.)经过约0.05s平稳到达0.48标么值，逆变器输出的q轴电流iq仍然为O标么值，没有变化；2)稳定性好。由图4(a)和(b)可见，0.5s时光照强度由300W/m2突变至600W/m2时，逆变器输出的d轴电流"从0.24标么值经过约0.05s就无静差，无超调的逸到其参考电流i、的稳态值0.48标么值；由图4(e)可见，在光照强度600W/m'时的稳态情况下，逆变器输出的d轴电流的滑模s,的抖振范围仅为[-0.03,0.05]，可见采用模糊控制有效弱化了滑模控制所特有的抖振现象，柔化了滑模控制器的控制量；3)动态响应速度快。由图4(a)和(d)可见，从系统初始状态到光照强度300W/i^时的系统稳定状态，本发明所提出的模糊滑模控制方法的滑模Si的最大值仅为5左右，且只经过约0.12s就平滑地进入滑模面；由图4(a)和(b)可见，0.5s时光照强度由300W/i^突变至600W/i^时，逆变器输出的d轴电流id从0.24标么值经过约0.05s就平稳快速地增加到其参考电流i'a的稳态值0.48标么值，而由图4(c)可见，逆变器输出的q轴电流i,不论外界环境条件的变化一直稳定地跟踪其参考电流i'q=0，因此，有效实现了逆变器输出的d、q轴电流ia与ij司的快速动态解耦。权利要求1、一种单级三相光伏并网系统的模糊滑模控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤1)检测市电电网的A、B、C三相电压信号，通过锁相环PLL方法求出电网电压矢量旋转角度θ，同时利用旋转角度θ和电网A、B、C三相电压信号计算电网电压的d、q轴直流分量ed、eq；2)检测逆变器输出端A、B、C三相电流信号，利用步骤(1)中的旋转角度θ进行dq旋转矢量变换，得到同步旋转dq轴坐标系下的直流电流成分id、iq；3)检测光伏阵列输出电压Upv和电流Ipv，采用常用的最大功率点跟踪MPPT方法--扰动观察法，求得当前环境条件下的光伏阵列最大功率点参考电压Uref；4)由步骤(3)得到的光伏阵列输出电压Upv与由步骤(3)得到的Uref的差值经过比例积分PI调节器后得到逆变器输出的d轴参考电流i*d，为使逆变器输出电流与电网电压同相位，设置逆变器输出的q轴参考电流i*q＝0，再根据步骤(2)得到的电流id和iq，由式(1)得到逆变器输出的d轴电流的滑模s1和q轴电流的滑模s2，式(1)中c1和c2分别为逆变器输出的d、q轴电流的滑模的积分系数，t为时间；<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><msub><mi>s</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>i</mi><mi>d</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>-</mo><msub><mi>i</mi><mi>d</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>1</mn></msub><msubsup><mo>∫</mo><mn>0</mn><mi>t</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>i</mi><mi>d</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>-</mo><msub><mi>i</mi><mi>d</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mi>dt</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>s</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>i</mi><mi>q</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>-</mo><msub><mi>i</mi><mi>q</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><msubsup><mo>∫</mo><mn>0</mn><mi>t</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>i</mi><mi>q</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>-</mo><msub><mi>i</mi><mi>q</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mi>dt</mi></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>5)令i＝1、2，将步骤(4)得到的s1和s1的导数id="icf0002"file="A2009100320140002C2.tif"wi="2"he="6"top="165"left="118"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>作为第一模糊控制器的输入，依次经过模糊化、模糊推理和反模糊化后，得到第一模糊控制器的输出量p1，将步骤(4)得到的s2和s2的导数id="icf0003"file="A2009100320140002C3.tif"wi="2"he="6"top="180"left="84"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>作为第二模糊控制器的输入，依次经过模糊化、模糊推理和反模糊化后，得到第二模糊控制器的输出量p2，其中si、id="icf0004"file="A2009100320140002C4.tif"wi="2"he="6"top="188"left="159"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>和pi的模糊集均取为7个，表示为{NB＝负大，NM＝负中，NS＝负小，ZE＝零，PS＝正小，PM＝正中，PB＝正大}，第一模糊控制器所采用的49条模糊规则和第二模糊控制器所采用的49条模糊规则均为表1所示表1<tablesid="tabl0001"num="0001"></tables>6)根据步骤(1)、(2)、(4)和(5)得到的ed、eq、id、iq、i*d、i*q、p1和p2，其中，i*q＝0，由式(2)求得逆变器输出的d轴参考电压u*d和q轴参考电压u*q，式(2)中L和R分别为逆变器输出侧电抗器的电感和电阻，k1和k2分别为逆变器输出d、q轴电流的滑模的指数衰减系数，kc为前馈补偿系数；<mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><msubsup><mi>u</mi><mi>d</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>Ri</mi><mi>d</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>e</mi><mi>d</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>1</mn></msub><mi>L</mi><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>i</mi><mi>d</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>-</mo><msub><mi>i</mi><mi>d</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>s</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>p</mi><mn>1</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msubsup><mi>u</mi><mi>q</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>k</mi><mi>c</mi></msub><msubsup><mi>i</mi><mi>d</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>+</mo><msub><mi>Ri</mi><mi>q</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>e</mi><mi>q</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><mi>L</mi><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>i</mi><mi>q</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>-</mo><msub><mi>i</mi><mi>q</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>k</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>s</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>p</mi><mn>2</mn></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>7)利用步骤(1)得到的旋转角度θ将步骤(6)得到的u*d和u*q进行派克Park逆变换，得到二相静止坐标系下的u*α和u*β，然后采用空间矢量脉宽调制SVPWM方法，经数字信号处理器DSP处理得到6路脉宽调制PWM脉冲。全文摘要一种光伏并网系统控制技术应用领域的单级三相光伏并网系统的模糊滑模控制方法，该方法具有鲁棒性强、稳定性好和动态响应速度快的优点，具体为首先通过引入前馈补偿，快速补偿逆变器输出的d、q轴电流i<sub>d</sub>、i<sub>q</sub>之间相互耦合的部分，实现i<sub>d</sub>与i<sub>q</sub>间的快速动态解耦；接着，通过对积分型滑模控制器引入指数趋近律控制，来提高滑模控制系统的动态性能，加快系统初始启动阶段的响应速度，确保系统状态轨迹在尽可能短的时间内，快速平滑地进入对系统干扰具有良好鲁棒性能的滑模面内运动；最后，引入模糊控制来弱化一般滑模控制在滑模面内存在的抖振现象，柔化滑模控制器的输出，提高系统的稳态性能。文档编号H02J3/38GK101604848SQ20091003201公开日2009年12月16日申请日期2009年7月7日优先权日2009年7月7日发明者刘庆全,周杏鹏,费树岷,飞郑申请人:东南大学