基于定频PWM滑模的直流微电网控制策略
穆帅飞，苟军年，杨剑锋
（兰州交通大学 自动化与电气工程学院，兰州 730070）
随着越来越多的新能源接入大电网，微电网的概念应运而生。它可以集成不同的分布式电源和储能系统，应用于不同的场景。微电网可分为交流微电网和直流微电网两种类型。交流微电网已被许多国内外学者研究。近几年，直流微电网由于具备能量转换效率高，功耗低的特点，也开始引起广泛关注。在控制方式上，相较于交流微电网，直流微电网中只存在有功功率，无需考虑微电网系统的频率、相位、无功功率等问题，不仅降低了微电网的控制复杂程度，而且提高了供电电能质量[1]。
直流微电网的结构特点是系统里面的分布式电源、储能设备、负载等都通过电力电子变换装置先连接到直流母线，而直流母线再通过逆变器与外部大电网相连接，如图1中的结构。直流微电网可通过电力电子转换装置向不同等级的交、直流负荷输送电能，而分布式电源和负荷的波动则可由储能设备在直流侧进行调节[2]。
图1 直流微电网结构
直流微电网有并网和孤岛两种运行模式。目前国内外已有很多学者对微电网的孤岛运行控制方式展开过研究[3～5]，文献[3]针对风储直流微电网采用粒子群算法减小直流母线电压的波动，提高系统的响应时间。文献[4]将神经网络与下垂控制相结合，能够自动实现功率分配，同时减少了传感器设备数量降低了系统成本。文献[5]针对光伏电池的最大功率跟踪过程提出一种非对称模糊控制方法，对储能系统采用分段式控制，以应对不同情况下的功率分配问题，以上方法有效地解决了电压波动较大的问题，但逻辑控制过程较为复杂。
基于以上研究现状，本文针对含太阳能光伏板、负载和蓄电池的小型微电网系统，提出一种定频PWM滑模控制策略。孤岛运行条件下，光伏系统仍然采用最大功率跟踪法，但与传统控制方法略有不同，加入闭环PI控制器，进一步提高系统的稳定性。针对电力电子系统的变结构特点，对蓄电池的充放电过程采用滑模控制，为了减小开关频率对系统的影响，引入等效控制法，固定开关管的频率。最后在Matlab中搭建仿真模型，验证所提出控制策略的有效性及可行性。
本文所采用的小型微电网结构如图2所示，分布式电源太阳能光伏板和蓄电池分别通过Boost电路和双向DC-DC变换器汇聚到直流母线处。
图2 小型微电网结构
1.1 光伏电池的建模
太阳能光伏板的输出功率通常受太阳光照强度和环境温度的影响较大[6]，如图3所示是在不同温度和光照强度的情况下，光伏板的输出功率曲线图。为了提高转换效率，确保光伏电池的输出功率始终最大，对升压变换器采用最大功率跟踪点控制，其控制流程图如图4所示。
图3 不同光照强度和温度下输出功率
图4 最大功率跟踪点控制流程图
1.2 蓄电池和双向DC-DC变换器的建模
蓄电池经由双向DC-DC变换器连接到直流母线，有充电和放电两种工作状态，以电感电流iL和电容电压Uo为状态变量列写状态空间方程。其等效电路如图5所示。
1）Buck工作模式下的电路图如图5(a)所示，D1始终处于截止状态，D2周期性的通断，当D2截止时电感通过二极管放电，电感电流下降，蓄电池处于充电状态，其状态空间方程如下：
图5 双向DC-DC变换器等效电路图
式(1)中iL＜0，m2表示一个周期内开关器件D2的占空比。
2）Boost工作模式下的电路图如5(b)所示，相反地，D2始终处于截止状态，D1周期性的通断。当D1导通时电感电流上升，蓄电池处于放电状态，其状态空间方程如下：
式(2)中iL＞0，m1表示一个周期内开关器件D1的占空比。
令x1=ib,x2=Uo综合以上方程可得出双向DC-DC变换器完整的动态方程如下[7]：
当太阳能光伏板的输出功率可以满足负载所需功率时，蓄电池不工作；
当太阳能光伏板的输出功率大于负载所需功率时，蓄电池吸收过剩功率；
反之，蓄电池和太阳能光伏板输出功率共同向负载供电。在实际的应用之中，光照、温度以及负载都是在不断变化的，为了满足应用需求，必须采用合适的控制策略保证直流母线电压的稳定。
2.1 滑模控制原理
滑模控制是一种常见的应用于变结构系统的非线性控制方法。滑模控制过程可以分为两个阶段[8]：到达阶段和滑动阶段。在第一阶段（到达阶段）不管被控轨迹处于哪一位置，都将受到滑模控制的作用朝所设计的滑模面移动。当轨线到达滑模面之后进入第二阶段（滑动阶段），此时系统将受无穷大频率切换函数的作用，使轨线不离开滑模面上。图6是被控系统在滑模控制作用下的原理图。
图6 滑模控制过程
2.2 滑模控制器的设计
DC-DC变换器是在两个子电路拓扑结构之间不断切换，具备变结构的特点，所以可直接运用变结构的原理对其进行分析和控制[9～11]。
蓄电池在工作时，有充放电两种状态。当蓄电池向负载供电时，升压变换器占空比到输出电压的传递函数具有右半平面零点（right half plane zero,RHPZ）的特性，这通常使得受控系统的动态响应滞后，因此，常常采用定频PWM滑模电流控制器[12,13]。
滑模电流控制器利用输出电压误差和电感电流误差作为受控状态变量[14]，与常规的电流控制器一样，利用放大后的输出电压误差产生瞬时电流参考值iref：
定义电压误差e1，电流误差e2以及电感电流误差和输出电压误差的积分e3：
用S表示滑模面，它可以由状态变量e1e2e3表示：
式(6)中α1、α2、α3是滑动系数
利用连续导电模式下双向DC-DC变换器的状态空间方程和式(5)可以得到系统的动态模型为：
由于式(8)和式(9)得到控制器的输入：
定频滑模控制器通过脉冲宽度调制实现，令0＜u=m12＜1，则控制信号Vc和载波信号幅值Vramp分别为：
为验证所提控制策略可行性和有效性，通过在MATLAB中搭建如图7所示等效电路图，并对其进行验证，仿真时采用5个并联的光伏电池，一个额定容量为50Ah的蓄电池。系统的参数如表1所示。
图7 控制策略框图
系统中的电感电容参数由以下式子求得：
经过多次反复试验，取滑模电流控制器的参数如表2所示。
表2 控制器参数表
3.1 稳态过程分析
当光照强度为250W/m2，仿真时间到达0.5s时，光伏达到最大功率266W，蓄电池SOC基本不变，由光伏电池向负载供电，蓄电池不工作，仿真结果如图8(a)～图8(c)所示；
当光照强度为500W/m2时，仿真时间在0.5s时，光伏达到最大功率539W，蓄电池的SOC一直在增加，蓄电池处于充电状态，仿真结果如图9(a)～图9(c)所示。
图8 光照强度为250W/m2的仿真图
图9 光照强度为500W/m2的仿真图
从以上两个例子都可以看出mppt算法能够正常工作，采用定频PWM滑模控制器的蓄电池始终维持母线电压在50V。
3.2 瞬态过程分析
当光照强度从500W/m2增加到1000W/m2时，母线电压突然增大，蓄电池必须快速吸收过剩的功率，以维持直流母线电压的稳定，仿真结果如图10所示。当光照强度为500W/m2负载从10Ω突变为50Ω时，母线电压突然增加，之后恢复到50V左右，仿真结果如图11所示。
图10 光照强度突变时的瞬态过程
图11 负载突变时的瞬态过程
由以上仿真结果可以看出：直流微电网进入孤岛运行时，当负载或光照强度发生变化时，采用定频PWM滑模控制策略都能够使得母线电压快速恢复到期望值，并保持恒定，与预期结果一致。
本文针对含光伏和蓄电池的直流微电网结构在孤岛运行条件下稳定性及抗扰性，提出一种定频PWM滑模电流控制器，具体结论如下：
1）光伏系统在保持最大功率的同时，蓄电池通过充放电维持直流母线电压的恒定；
2）利用等效控制法，固定开关管的频率，减小开关损耗，抑制噪声干扰；
3）滑模电流控制器是双环控制，维持直流电压稳定的同时，可以有效地控制蓄电池的充放电电流，以延长蓄电池的使用寿命；
4）针对负载和光照强度突变，滑模电流控制器表现出了良好的稳定性和鲁棒性。
猜你喜欢 线电压滑模蓄电池 某110 kV变电站装设低压电抗器的可行性研究山东电力高等专科学校学报(2019年5期)2019-11-01基于组合滑模控制的绝对重力仪两级主动减振设计中国惯性技术学报(2019年6期)2019-03-04关于《三相交流电源》章节的教学探析课程教育研究·学法教法研究(2018年20期)2018-08-11基于开关表的直流微电网控制及其仿真自动化与仪表(2018年7期)2018-07-31风电汇集站无功控制策略研究中国设备工程(2017年24期)2017-12-28使用SGCMGs航天器滑模姿态容错控制北京航空航天大学学报(2017年4期)2017-11-23聊聊蓄电池的那点事儿（1） 汽车蓄电池的前世汽车维修与保养(2017年1期)2017-05-15EHA反馈线性化最优滑模面双模糊滑模控制北京航空航天大学学报(2016年7期)2016-11-16蓄电池去哪儿了汽车维修与保养(2016年1期)2016-09-07蓄电池去哪儿了？VOL12.雷克萨斯RX450h汽车维修与保养(2016年12期)2016-03-14