基于滑模控制的Z源逆变器在单相光伏系统中的应用_

摘要：将Z源逆变器应用到单级单相光伏并网系统中。该逆变器集成了最大功率跟踪(maximum-power-point-tracking，MPPT)、升/降直流侧电压和并网发电三个功能。根据系统要求以及Z源网络在直流侧表现出的非最小相位的特性，该文提出使用两个具有积分补偿的固定频率滑模控制器以保证系统的鲁棒性，以此消除非最小相位特性给系统带来的不良影响，保证Z源电容电压不产生超调和振荡，从而并网电流不发生畸变。该文利用小信号法分析了该闭环系统的稳定性。仿真和实验结果均验证文中提出的逆变器和控制方法的正确性和有效性。
关键词：Z源逆变器；光伏并网；滑模控制；固定频率；非最小相位
20世纪90年代，大部分光伏发电系统采用“集中化(centralized)”模式，将若干太阳能电池阵列并联后通过逆变器并网。近来，分散化(decentralized)”技术被引入到光伏系统，即每个单级式光伏模块发电功率一般小于500 W，直接通过逆变器与电网相连输出能量[1-3]。该技术提高了光伏并网发电系统的灵活性和可扩展性。此外，有学者开始研究在分散化系统中，太阳能电池动态特性对系统的影响[3-4]。
环境突变情况下的光伏电池动态变化进行研究，建立起基于实验结果的太阳能电池模型。单级光伏并网系统一般都集成了最大功率跟踪(MPPT)和并网发电功能，具有系统效率高，成本低的优点。一种基于dP/dU的MPPT方法成功地应用到单级光伏并网发电系统中[5]。文献[6]分析了单级
单相光伏并网系统直流母线电压崩溃过程，提出了一种变步长的MPPT方法。此外，一种将短路电流结合扰动观察的方法也被用于光伏发电的MPPT中[7]。但是在单级系统中，由于不具有升压功能，存在光伏电池输出电压必须高于电网电压峰值才能实现并网的不足。Z源逆变器是2003年提出的一种新型逆变器[7]。它克服了传统逆变器只能升压或降压的不足，允许逆变桥短路或开路，具有极大的灵活性。Z源
逆变器已经被广泛应用到许多不同的领域[8-10]。然而Z源阻抗网络的传递函数具有右半平面零点，且无法通过调整Z源网络参数加以去除[11]。这个不稳定零点使得Z源电容电压在输入电压出现扰动时，出现超调和振荡[12]。一些文献开始关注Z源网络的这个缺点。文献[13]提出一种离散PI控制器来控制Z源网络电容电压。文献[12]提出一种多环PI控制器，但只是减小了当输入电压突降时非最小相位对系统特性的影响，而未能消除。
本文将Z源逆变器应用到单相光伏并网系统中，利用Z源逆变器灵活升降压的优点，克服传统单级光伏并网系统对母线电压值要求较高的不足。
为了有效地消除Z源网络非最小相位性质对系统的稳定性和鲁棒性产生的影响，本文采用滑模变结构控制策略。滑模控制是一种具有良好鲁棒性和自适应性等特性的控制策略[14-17]。滑模控制在开关功率变换器运用时，一般通过滞环控制来获得PWM信号，开关频率不固定，不能确保开关管开关顺序的逻辑性[18-19]。由于本文提出的系统集成了MPPT、升降压和并网发电3个功能。它们完全通过依靠逆变桥上的4个开关器件实现，必须遵循一定的开关逻辑顺序。因此本文提出两个具有积分环节的固定频率滑模控制器。控制器中引入积分环节消除了滑模面误差，保证系统的静态和动态特性。该控制器既可以实现当输入电压发生扰动时，Z源网络电容电压不产生超调和振荡，保证了并网电流的质量，提高了系统的抗扰性能。
本文首先简单分析了单相Z源逆变器的工作模式，在此基础上给出了滑模控制器的设计方法和步骤，并利用小信号法对该闭环系统的稳定性进行了分析。最后，仿真和实验结果验证了本文设计的系统及其控制方法的有效性。1单相Z源逆变器的工作模式基于Z源逆变器单相光伏并网系统。
Z源逆变器与传统的逆变器相比，除了零矢量和有效矢量外，它还增加了一个直通矢量状态，即允许同一桥臂上下2个开关器件同时处于导通状
态。这是Z源逆变器最大的特点和优点。本文采用单极性控制。
2控制器设计
2.1等效控制框图
由于存在直通矢量，Z源逆变器直流母线电压是高频脉冲方波，而Z源网络中的电容电压Uc是一个连续电压信号，容易测量和控制。根据式(6)，
控制Uc电压稳定就可以保证输出电流质量。由于逆变桥上的4个开关器件在控制上必须遵循一定逻辑次序，本文设计了一种固定开关频率的滑模控制器来控制直流侧Z源网络电容电压和并网电流。该控制器控制量为ucr和uacr，由滑模控制等效控制率得到，并与载波信号uc比较，得到控制开关器件的信号。这种方法控制简单，既保证了开关器件之间控制次序，又保留了滑模控制动态响应快、鲁棒性强等优点。
本文对应用于单相光伏系统Z源逆变器及其控制进行了研究。该逆变器集成MPPT、升降压和并网发电3个功能。根据Z源网络的非最小相位性质特
性，本文提出采用2个具有积分补偿的固定开关频率滑模控制器来保证系统鲁棒性和快速响应。在滑模控制器作用下，直流侧非最小相位特性对系统产生的影响被消除，即使当输入电压或并网电流发生扰动时，Z源电容电压也不产生超调和振荡，提高直流母线电压质量，保证了并网电流不发生畸变。这种对Z源网络电压的控制方法可以进一步推广到其他形式Z源功率变换器中。本文提出的控制策略可以简化控制系统设计，在确保系统稳定运行的同时获得满意的动静性能，具有一定应用价值。

文章来自：滑模机械网

文章作者：信息一部

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