一种基于干扰观测器的光伏并网逆变器模糊滑模控制方法

摘要

本发明公开了一种基于干扰观测器的光伏并网逆变器模糊滑模控制方法，包括以下步骤：根据电路定理，建立光伏并网逆变器数学模型；选取线性滑模面；根据干扰观测器，对系统干扰进行观测；基于滑模控制器的控制律，并将干扰观测器的观测结果应用到滑模控制器中；根据模糊逼近器，对观测误差上界进行在线逼近；根据自适应律，得到模糊滑模控制器的控制律方程；根据控制律方程，产生PWM控制信号，从而控制逆变器的各个电力开关管。本发明将滑模控制引入到逆变器中，根据干扰观测器对逆变器不确定干扰进行在线观测，然后使用模糊逼近器在线逼近观测误差上界，以增强逆变器鲁棒性，提高并网性能。

说明书

技术领域

本发明涉及逆变器控制方法技术领域，尤其涉及一种基于干扰观测器的光伏并网逆变器模糊滑模控制方法。

背景技术

随着国家新能源战略的兴起，新能源技术越来越受到人们的重视，分布式电源供给成了热门话题，随着光伏发电技术的发展，光伏电能在国家能源配比中占据着重要作用。光伏电池产生的直流电需要转换成交流电才能被广泛使用，所以逆变器是光伏发电系统不可或缺的一部分，光伏系统对环境变化敏感的特点，对逆变器的控制提出了较高的要求。

目前并网逆变器常用的控制策略是电流型控制策略，即控制并网电流使其与电网电压同频同相，其特性相当于电流源，存在模式切换问题。电压型控制策略以逆变器交流侧电压为控制对象，实现对电网参考电压的无差别跟踪，电压型控制模式下，其特性相当于电压源，其特点是可在离网模式和并网模式下自由切换运行。传统的控制方式如PI、滞环、下垂控制等控制效果并不理想，系统鲁棒性较差。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于干扰观测器的光伏并网逆变器模糊滑模控制方法，将滑模控制引入到逆变器中，根据干扰观测器对逆变器不确定干扰进行在线观测，然后使用模糊逼近器在线逼近观测误差上界，以增强逆变器鲁棒性，提高并网性能。

本发明的一种基于干扰观测器的光伏并网逆变器模糊滑模控制方法，包括以下几个步骤：

步骤一、根据电路定理，建立光伏并网逆变器数学模型；

步骤二、选取线性滑模面；

步骤三、根据干扰观测器，对系统不确定性干扰进行观测；

步骤四、基于Lyapunov稳定性定理的滑模控制器的控制律，将所述干扰观测器的观测结果应用到滑模控制器中；

步骤五、根据模糊逼近器，对观测误差上界进行在线逼近；

步骤六、基于Lyapunov稳定性定理的控制律，进一步得到基于干扰观测器的光伏并网逆变器模糊滑模控制器的控制律方程；

步骤七、根据控制律方程，产生PWM控制信号，从而控制逆变器的各个电力开关管。

步骤一中，一个周期内的所述光伏并网逆变器数学模型为：

其中，u_dc为逆变器直流侧电压，u_ac为逆变器交流侧电压，D为逆变器一组桥臂上两个开关管的占空比，本发明就是通过控制D来实现对逆变器的控制。C_ac、L_ac分别为逆变器交流侧滤波电容及电感，R_L为网侧负载，d(t)为系统不确定性干扰。

步骤二中，所述滑模面为

其中，e＝u_ac-u_ref为电压跟踪误差，为其导数，c为一正常数，u_ac为逆变器交流侧输出电压，u_ref为电网参考电压。

步骤三中，所述干扰观测器为：

其中，为干扰观测值,z为中间变量，为z导数，r为正常数，为u_ac导数。

步骤四中，所述滑模控制器的控制律(这里的D就是前文的占空比D，本发明就是通过控制占空比D来实现对逆变器的控制的)为：

其中，ks为线性补偿项，k为正常数，η为观测误差上界，满足为观测误差，为电网参考电压u_ref二阶导数，sgn为符号函数。

步骤五中，对观测误差上界进行在线逼近的方法如下：

其中，为η的估计，为可调参数，z为模糊基向量。

步骤六中，所述自适应律：

其中，r为一正常数，s为滑模函数(滑模面)；

基于干扰观测器的光伏并网逆变器模糊滑模控制器的控制律为(这里和公式4的不同在于，使用了模糊系统逼近η，模糊系统如公式5所述，最终的控制律如下所述)：

其中，为观测误差上界η的估计值，sgn为符号函数。

步骤七中，具体包括如下步骤：

根据步骤六所得占空比D，经过PWM产生器后生成四路PWM波控制信号；其中，S₂,S₃占空比为1-D；控制逆变器四个开关管的通断，从而实现DC-AC变换；经过滤波器后注入电网。

本发明的有益效果是：

本发明提供的基于干扰观测器的光伏并网逆变器模糊滑模控制方法，由于使用了滑模控制，使得逆变器具有具有较强鲁棒性；干扰观测器的使用补偿了不确定干扰的影响；模糊逼近器在线估计观测误差上界，从而使得滑模控制中的切换增益不必很大，从而降低了滑模控制的抖振现象。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1所示为本发明一种具体实施的主电路结构示意图；

图2所示为本发明一种具体实施的方法结构示意图；

图3所示为逆变器电压跟踪效果图；

图4所示为电压跟踪误差图；

图5所示为占空比D变化图；

图6所示为跟逆变器交流侧电压频谱图。

具体实施方式

参见图1，本发明所述逆变器采用H桥拓扑结构，S₁-S₄为全控型电力开关管，S₁,S₄，S₂,S₃分别组成两组桥臂，且同一时刻仅有一组开关管导通。C_dc为直流侧电容，C_ac、L_ac分别为交流侧滤波电容及电感，R_L为网侧负载。通过控制两组开关管的导通占空比，即可完成DC-AC变换，并实现逆变器交流侧电压对电网参考电压的跟踪。

参见图2，一种基于干扰观测器的光伏并网逆变器模糊滑模控制方法，包括以下步骤：

步骤一、根据电路定理，建立光伏并网逆变器数学模型；

步骤二、选取线性滑模面；

步骤三、设计干扰观测器，对系统不确定性干扰进行观测；

步骤四、设计基于Lyapunov稳定性定理的滑模控制律，并将观测器的观测结果应用到滑模控制器中；

步骤五、设计模糊逼近器，对观测误差上界进行在线逼近；

步骤六、设计自适应律，得到基于干扰观测器的光伏并网逆变器模糊滑模控制器的控制律方程；

步骤七、利用所得控制律方程，产生PWM控制信号，控制逆变器的各个电力开关管。

实施例一

(1)根据电路理论，分别建立S₁,S₄，S₂,S₃导通时的电路方程，然后利用状态空间平均法，建立逆变器一个周期内的平均数学模型为：

其中，u_dc为逆变器直流侧电压，u_ac为逆变器交流侧电压，D为电力开关管S₁、S₄占空比(S₂、S₃占空比为1-D)，C_ac、L_ac分别为逆变器交流侧滤波电容及电感，R_L为网侧负载。d(t)表示系统不确定干扰。

(2)设计线性滑模面

定义线性滑模面为

其中e＝u_ac-u_ref为电压跟踪误差，为其导数，u_ac为逆变器输出电压，u_ref为电网参考电压。

(3)设计干扰观测器

对于本文研究的逆变器系统

干扰可表示为：

引入辅助变量其中r为一正常数，z的导数为

设计干扰观测器为

其中，为干扰观测值,z为中间变量，r为正常数。实际中，我们需要测量逆变器直流侧电压u_dc、交流侧电压u_ac及其导数。

(4)设计滑模控制律

选取如下的正定函数作为Lyapunov函数

其中，s为滑模函数，为观测误差。

滑模函数s对时间的导数

设计控制律为

其中k为正常数，为干扰观测器对干扰的观测值，η为观测误差上界满足

将(9)代入(8)得

Lyapunov函数对时间的导数为

由Lyapunov稳定性定理知，系统稳定。

(5)模糊逼近器逼近观测误差上界

实际应用中，观测误差是时变的，其上界η也时变，若将η设定为一个固定值，则过大会导致大幅抖振，过小则不能保证系统稳定性。为此，采用模糊系统在线逼近观测误差上界η。

采用模糊系统逼近η可表示为

其中为η的估计，为可调参数，z为模糊基向量。

(6)设计基于Lyapunov稳定性定理的控制律

重新选取如下正定函数为Lyapunov函数

设计模糊系统权值跟新自适应律为：

其中，z为模糊基向量，r为一正常数，s为滑模函数。

采用模糊系统逼近误差上界η，用替换控制式(9)中的η，系统控制律变为

其中为观测误差上界的估计值，此时

由Lyapunov稳定性定理知，控制系统稳定。

(7)根据步骤6所得占空比D，通过PWM产生器后产生4路PWM波控制信号(其中S₁,S₄占空比为D，S₂,S₃占空比为1-D)，控制逆变器4个开关管的通断，进而控制并网过程。

(8)通过仿真，验证发明

在Matlab/Simulink里建立电路仿真模型，如图1所示，逆变器直流侧接光伏组件，仿真结果如图3至图6所示。

图3所示，逆变器交流侧电压能较快地跟踪上电网电压。

图4所示，逆变器电压跟踪误差能收敛到0附近。

图5所示，占空比D波形抖振较小。

图6所示，由逆变器并网电压频谱图，系统稳定后，其总谐波畸变率THD仅为0.11％，谐波含量很低。

综上所述，本发明由于使用了滑模控制，使得逆变器系统鲁棒性较强；使用干扰观测器在线观测未知干扰，增强了系统对外界干扰的适应性；模糊系统逼近观测误差上界，保证了系统稳定性并进一步增强了系统鲁棒性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。