單相光伏并網逆變器的模糊自適應滑模控制方法
【專利摘要】本發明公開了單相光伏并網逆變器的模糊自適應滑模控制方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1、建立計及系統結構參數不確定性和外界干擾項的光伏逆變器數學模型；步驟2、進行滑模控制器設計；步驟3、進行模糊自適應滑模控制器設計；步驟4、滑模控制器和模糊自適應滑模控制器的輸出對光伏系統進行控制。無需建立光伏系統的精確數學模型，采用模糊自適應控制來逼近被控對象，使得系統參數不確定性和外界擾動均被計及；采用滑模控制按照電壓偏差設計控制率，使得控制具有魯棒性，能夠滿足穩定性和魯棒性的要求，當系統環境發生突變時，控制算法能可靠工作，使得單相光伏系統輸出穩定的正弦交流電壓。
【專利說明】
單相光伏并網逆變器的模糊自適應滑模控制方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種單相光伏并網逆變器的模糊自適應滑模控制方法。
【背景技術】
[0002] 隨著化石能源的枯竭和人類對清潔能源的需求，光伏系統并網發電技術近年來得 到快速發展，然而光伏發電本身具有不穩定性和間歇性的特點，其并網電能的質量和發電 效率受外界環境狀態、系統結構參數不確定性和外界干擾等多種因素的影響，因而有效的 逆變器控制算法是解決光伏系統并網問題的關鍵。
[0003] 現有的小型光伏并網系統通常采用兩級式高頻不帶隔離變壓器的拓撲結構：即前 級采用Boost電路實現DC-DC(直流-直流)變換，后級采用高頻逆變器實現DC-AC(直流-交 流)變換。其在Boost電路中通過最大功率點跟蹤(MPPT)控制，提高發電能力，但是，在進行 逆變器控制時，需要建立光伏系統的精確數學模型，無法計及系統參數的不確定性和外界 擾動，控制的穩定性和魯棒性差。
【發明內容】
[0004] 針對上述問題，本發明提供一種單相光伏并網逆變器的模糊自適應滑模控制方 法，無需建立光伏系統的精確數學模型，采用模糊自適應控制來逼近被控對象，使得系統參 數不確定性和外界擾動均被計及;采用滑模控制按照電壓偏差設計控制率，使得控制具有 魯棒性，能夠滿足穩定性和魯棒性的要求，當系統環境發生突變時，控制算法能可靠工作， 使得單相光伏系統輸出穩定的正弦交流電壓。
[0005] 為實現上述技術目的，達到上述技術效果，本發明通過以下技術方案實現：
[0006] 單相光伏并網逆變器的模糊自適應滑模控制方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0007] 步驟1、建立計及系統結構參數不確定性和外界干擾項的光伏逆變器數學模型；
[0008] 步驟2、進行滑模控制器設計；
[0009] 步驟3、進行模糊自適應滑模控制器設計；
[0010] 步驟4、滑模控制器和模糊自適應滑模控制器的輸出對光伏系統進行控制。
[0011] 優選，光伏系統采用兩級式高頻不隔離并網電路，包括光伏陣列、負載、前級的 Boost升壓電路和后級的逆變電路，其中，單相光伏并網逆變器采用全橋結構，包括開關管 Si、S2、S3和S4，設S4PS4的占空比為D，則S2和S3的占空比為1-D，步驟1中根據電路定理和狀態 空間平均法建立光伏逆變器數學模型。
[0012] 優選，建立光伏逆變器數學模型的具體步驟為：
[0013] 當S_S4導通時，根據電路定理可知：
[0015] 式中，Cac、Lac為逆變器交流側電容和電感，v dc為逆變器直流側電壓，vac為逆變器交 流側電壓，ia。為逆變器電感電流，Rl為電網負載；
[0016] 當S2和S3導通時，根據電路定理可知：
[0018]根據狀態空間平均法，則一個周期內逆變器的數學模型可以描述為（1)式XD+(2) 式 X(l-D)，即
(3) (4)
[0021] 把(3)式代入(5)式整理后得
[0023] 令狀態變量X = Vac，則
[0025]考慮到實際應用中逆變器會受到參數不確定性、外界因素的干擾，加入干擾項的 系統狀態方程為：
[0027]式中A1n A 2為由電容和電感的參數引起的誤差項，舛/)為外界干擾；
[0028] 令綜合干擾項我:/) = -A' - Ay +爐〇) (9)
[0029]貝lj(8)式變為
'，則（10)式變成
[0033] (11)式即為計及系統結構參數不確定性和外界干擾項的逆變器數學模型。
[0034] 優選，步驟2中進行滑模控制器設計的具體步驟如下：
[0035] 定義跟蹤誤差e = x-vac* = vac-vac* (12)
[0036] 定義滑模面為& =又，+ A，# + 6 ( 1 3 )
[0037] 式中，ki、k2為滑模面系數，Vac*為電網參考電壓；
[0038] 則滑模面一階導數之=々# + 々々 + t; ( 14 )
[0039] 定義 Lyapunov 函數
（15)
[0040] 由（12)式求二階導數得€ = I - L ，代入(14)式，
[0041 ]則 i.- i;"((16 )
[0042] 根據（10)式可知
，代入（16)式 有：
[0044]則控制器設計為如下：
(18)
[0046] 式（18)中，sgn( ?)為符號函數，乃'為采用滑模控制下的開關管SjPS4的占空比，n 為不確定參數和干擾的上界，滿足n> I巾（t) | >0。
[0047] 優選，步驟3中進行模糊自適應滑模控制器設計的具體步驟如下：
[0048] 模糊系統/(.rhKX)、均采用乘積推理機、單值模糊器和中心解模糊器 的方法來進行設計以逼近以1)4(1)、巾（0，則逆變器的控制律相應設計為 ：
[0050] up-/(x) - ^}(t) = g(x)D + A-e + k2e - v," (21)
[0051 ]令/'(.Y) = 6^ fu)、|(-X.) = 、如）=gx' )為模糊系統輸出，其中 |(1)、1]5(8。)為模糊向量，向量9/、981'、:6^為根據自適應律設計而變化的參數向量0￡、0 8、04)的 轉置；
[0052]設計自適應律為 df=rxsc^(x)
[0053] < 9g^r-,sc^{x) (22) ^=r,sc￥{sc)
[0054] 其中，ri、r2、r3為自適應系數，為正常數。
[0055]本發明的有益效果是：
[0056]本發明提供一種單相光伏并網逆變器的模糊自適應滑模控制方法，無需建立光伏 系統的精確數學模型，采用模糊自適應控制來逼近被控對象，使得系統參數不確定性和外 界擾動均被計及;采用滑模控制按照電壓偏差設計控制率，使得控制具有魯棒性，能夠滿足 穩定性和魯棒性的要求，當系統環境發生突變時，控制算法能可靠工作，使得單相光伏系統 輸出穩定的正弦交流電壓。
【附圖說明】
[0057]圖1是單相光伏并網發電系統的結構示意圖；
[0058] 圖2是SJPS4導通時的等效電路圖；
[0059] 圖3是本發明逆變器控制的結構示意圖；
[0060] 圖4是本發明實施例的系統參數表；
[0061] 圖5是本發明實施例在標準工作狀態下光伏電池輸出波形；
[0062] 圖6是本發明實施例的光照變化圖；
[0063] 圖7是本發明實施例在光照變化下的光伏系統輸出波形。
【具體實施方式】
[0064]下面結合附圖和具體的實施例對本發明技術方案作進一步的詳細描述，以使本領 域的技術人員可以更好的理解本發明并能予以實施，但所舉實施例不作為對本發明的限 定。
[0065] 單相光伏并網逆變器的模糊自適應滑模控制方法，包括如下步驟：
[0066] 步驟1、建立計及系統結構參數不確定性和外界干擾項的光伏逆變器數學模型； [0067]步驟2、進行滑模控制器設計；
[0068] 步驟3、進行模糊自適應滑模控制器設計；
[0069] 步驟4、滑模控制器和模糊自適應滑模控制器的輸出對光伏系統進行控制。
[0070] 下面進行詳細介紹：
[0071] 如圖1所示，光伏系統采用兩級式高頻不隔離并網電路，圖1中，Cpv、Lpv為光伏電池 側電容和電感，VPV、i PV為光伏電池側電壓和電流，S為Boost電路的開關管，Cdc為Boost電路 升壓輸出側電容，V dc、id。為逆變器直流側電壓和電流，Si~S4為逆變器開關管，Cac、Lac為逆 變器交流側電容和電感，v a。為逆變器交流側電壓，ia。為逆變器電感電流，k為電網負載電 流，Rl為電網負載，V ac*為電網參考電壓，即工頻正弦交流電壓。
[0072]光伏系統包括光伏陣列、負載、前級的Boost升壓電路（即DC-DC電路）和后級的逆 變電路(DC-AC電路），兩級式高頻不隔離并網電路一共分為兩級進行控制，即前級為Boost 電路，通過對PWM(脈沖寬度調制)控制實現MPPT和DC-DC升壓變換；后級為高頻全橋逆變器， 通過PWM控制開關管的導通和截斷，實現DC-AC變換，提供符合標準的交流電能并網。這種電 路的拓撲結構簡單，前后級的控制相對獨立，無需同步。由于在逆變器結構中省去了工頻變 壓器，因而具有效率高、重量輕的優點，在小功率分布式發電系統中得到廣泛應用。本發明 采用這種兩級式并網電路。
[0073]其中，單相光伏并網逆變器采用全橋結構，如圖1中DC-AC部分所示，包括開關管 和S4,假設開關管Si~S4為理想開關，忽略其死區時間，忽略電感Lac和電容Cac上的 寄生電阻。設S0PS4的占空比為D，則S 2和S3的占空比為1-D。
[0074]步驟1中根據電路定理和狀態空間平均法建立光伏逆變器數學模型，具體為：
[0075] 當SJPS4導通時電路如圖2所示，根據電路定理可知：
[0077] 式中，Cac、Lac為逆變器交流側電容和電感，vdc為逆變器直流側電壓，v ac為逆變器交 流側電壓，ia。為逆變器電感電流，Rl為電網負載；
[0078] 同理可知，當S3導通時，根據電路定理可知：
[0080]根據狀態空間平均法，則一個周期內逆變器的數學模型可以描述為（1)式XD+(2) 式 X(l-D)，即
(3) (4)
[0083] 把(3)式代入(5)式整理后得
[0085] 令狀態變量x = va。，則
[0087]考慮到實際應用中逆變器會受到參數不確定性、外界因素的干擾，加入干擾項的 系統狀態方程為：
[0089] 式中A1n A 2為由電容和電感的參數引起的誤差項，_>)為外界干擾；
[0090] 令綜合干擾項多⑴=- A# +供(/) (9)
[0091] 則⑶式變為
，則（10)式變成
[0095] (11)式即為計及系統結構參數不確定性和外界干擾項的逆變器數學模型。
[0096] 逆變器控制結構圖如圖3所示，則步驟2中進行滑模控制器設計的具體步驟如下：
[0097] 定義跟蹤誤差 e = x-vac* = vac-vac* (12)
[0098] 定義滑模面為 A丨<? + 6 ( 13 )
[0099] 式中，匕、1?為滑模面系數，vac*為電網參考電壓；
[0100]貝ij滑模面一階導數i?，二Ap + te + e (14)
[0101 ]定義 Lyapunov 函數
[0102] 由（12)式求二階導數得3 =無-元(.* - i^，代入(14)式，
[0103] 則.4 二灸一 + 灸2.e +1 (1巵）
[0104] 根據（10)式可知
代入（16)式 有：
[0106]則控制器設計為如下：
[0108]式（18)中，sgn( ?)為符號函數，J^為采用滑模控制的開關管SdPS4的占空比，n為 不確定參數和干擾的上界，滿足n> I巾（t) | >0。
[0109] 滑模控制器穩定性證明如下：
[0110] 對(15)式進行求導，將(18)式的沙代替（17)式中的D，則：
[0112] 由于n> I Mt) |，所以（19)式g ￡ 〇。根據李雅普諾夫第二穩定性定理，說 明按照（18)式設計的滑模控制器能夠保持系統的穩定性，但是缺點是需要建立被控對象的 精確模型，當汽1)^(1)、巾（0未知時，控制器并不適用，本發明提出根據滑模面調整自適 應參數，設計模糊系統/(X)、.彥(.X)、逼近f(x；)、g(x；)、巾⑴。
[0113] 優選，步驟3中進行模糊自適應滑模控制器設計的具體步驟如下：
[0114] 模糊系統/?"?）、私；〇、均采用乘積推理機、單值模糊器和中心解模糊器 的方法來進行設計以逼近以1)4(1)、巾（0，則逆變器的控制律相應設計為 ：
[0116]艮口_戶⑴_^(，）=忌(工)/) + /c# + 人'々-i-;"f (2:1.)
[0117] 令/(x) = <9/古(X)、= f f(x)、知）=%V(.s~.)為模糊系統輸出，其中 l(x)、iKs。)為模糊向量，向量9fT、9gT、_<為根據自適應律設計而變化的參數向量9f、9g、M勺 轉置；
[0118] 設計自適應律為 df=r{sc^{x)
[0119] < 0g=r2sc^(x) (22)
[0120] 其中，ri、r2、r3為自適應系數，為正常數。
[0121] 下面對(22)式中設計的自適應律進行證明：
[0122] 定義使得逼近誤差最小的最優參數0f'0/、0/分別為：
[0125] 0* = arg min| sup 0{s(. 0 ) - .s;.) ] ( 25)
[0126]其中，Qf、Qg、Q *分別為Qfjg、9*的集合，Rn為n維實域，argmin為使得泛函取得最 小值的函數，sup為上確界函數，表示參數向量為0f、0g、 xefi" xeR11 .vei?" 9 4>下的模糊系統輸出。
[0127] 令) = (" + 5>sgn(、：} < 2T>)
[0128] 其中〇 |巾⑴|，B>0,故有n+B> |巾⑴
[0129] 定義最小逼近誤差《為
[0130] 〇} - f(x) -- f(.x 0}) + [g(-v) - g(x 0] )\ D ( 27)
[0131] 則有|?|<?max (28)
[0132] 根據式(14)和(11)，則滑模面一階導數為： K^ + k；e + vac-vact, =k.e -f Le -f f(x) g(x) x D -i- <p(t) - v. * 、
[0133] ~ ' (29) =k^e + k2e + f (x) + g(x) x D + [g(x) - g(^)]^ + ^(0 - , -f(x) + k^e + k；e + g{x)D - v;r, + [g(x) - g(.r)]Z) + ^(r)
[0134] 根據(21)式可知，（29)式進一步變為
[0135] 4 = fix) - f\x) - ^>(t) + [g(x) - g(x)]D + (pit) (30)
[0136] 根據（27)，有/(X) = /(.卡;.）-[《⑴-乳Y|0:)] ? /) + 忉，
[0137] 則(30)式變成：
[0138] .v - ) - [0(.v) - g(.r|^；)] ? D + co - f{x) - (jiis, \〇i：) + [g(.r) - g(..v)] ? D + =f(x\e"f) - f(x) + [g(x|^) - i(x)] -D + 0- j){sc |^) + + j)(sc \$*) - j>(sc \p^) -(0, - 9t f g(x) + (0^, - 0;,)' c(.x：) -D + (〇 + (/){{) + (0I；I - 0,, y (//(.s\) - ^(.y 9d ) =9/+ (Pg^{x) D + <p/^(sc) + ? - j){sc \e^) ( 31)
[0139] 其中^ = <9, ，％ = <9: -蜷,％ = <9/ &因為0f*、《、04>*為常數，則
[0140] 導數# =-4.,么九=-$ (32)
[0141 ] 定義新的Lyapunov函數V為
[0143] 則對(33)求導得：
[0145]根據(26)有C) =〇/ + 5)sgn(.y(.),則(34)式變為：
[0147] 把自適應率(22)和(32)代入(35)得：
[0149] 根據模糊逼近理論，模糊自適應系統可實現使逼近誤差《非常小。因此可 知按照(20)設計的模糊自適應滑模控制器能夠保持系統的穩定性。
[0150]下面結合具體的系統進行模擬實驗，具體如下：
[0151] 系統參數設置如圖4所示，當光照強度為1000W/m2,環境溫度為25°C時，光伏逆變 器交流結果輸出和光伏電池輸出功率如圖5所示。從圖5中可以看出，逆變器經過0.2秒的暫 態過程后，輸出穩定為正弦交流電壓，說明當模糊控制器自適應參數穩定后，逆變器輸出電 壓能夠有效跟蹤同步并網電壓的變化。
[0152] 考慮到實際光伏系統運行過程中的光照強度會隨時發生變化，圖6模擬了 0.6秒的 時間內發生幾次階躍變化，圖7記錄下逆變器交流電壓輸出和光伏電池輸出功率。從圖7中 可以看出，交流電壓在0.2秒后穩定，當光照發生變化時，交流電壓輸出基本不受影響，說明 逆變控制器能夠穩定工作，算法魯棒性較強，能夠適應不同的工作狀態。
[0153] 無需建立光伏系統的精確數學模型，采用模糊自適應控制來逼近被控對象，使得 系統參數不確定性和外界擾動均被計及;采用滑模控制按照電壓偏差設計控制率，使得控 制具有魯棒性，能夠滿足穩定性和魯棒性的要求，當系統環境發生突變時，控制算法能可靠 工作，使得單相光伏系統輸出穩定的正弦交流電壓。
[0154] 以上僅為本發明的優選實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發 明說明書及附圖內容所作的等效結構或者等效流程變換，或者直接或間接運用在其他相關 的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。
【主權項】
1. 單相光伏并網逆變器的模糊自適應滑模控制方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟1、建立計及系統結構參數不確定性和外界干擾項的光伏逆變器數學模型； 步驟2、進行滑模控制器設計； 步驟3、進行模糊自適應滑模控制器設計； 步驟4、滑模控制器和模糊自適應滑模控制器的輸出對光伏系統進行控制。2. 根據權利要求1所述的單相光伏并網逆變器的模糊自適應滑模控制方法，其特征在 于，光伏系統采用兩級式高頻不隔離并網電路，包括光伏陣列、負載、前級的Boost升壓電路 和后級的逆變電路，其中，單相光伏并網逆變器采用全橋結構，包括開關管ShS^S 3和S4,設 SdPS4的占空比為D，則SdPS3的占空比為I-D，步驟1中根據電路定理和狀態空間平均法建 立光伏逆變器數學模型。3. 根據權利要求2所述的單相光伏并網逆變器的模糊自適應滑模控制方法，其特征在 于，建立光伏逆變器數學模型的具體步驟為： 當Si和S4導通時，根據由敗·由擁"ST牟π.式中，Cac、Lac為逆變器交流偵U電容和電感，Vdc為逆變器直流偵U電壓，vac為逆變器交流偵U 電壓，ia。為逆變器電感電流，Rl為電網負載； 當S2和S3導通時，根據電路定理可知：根據狀態空間平均法，則一個周期內逆變器的數學模型可以描述為： (1)式 XD+(2)式 X(I-D)JP令狀態變量X = Va。，貝1J 對 把(11)式即為計及系統結構參數不確定性和外界干擾項的逆變器數學模型。4.根據權利要求3所述的單相光伏并網逆變器的模糊自適應滑模控制方法，其特征在 于，步驟2中進行滑模控制器設計的具體步驟如下： 則捏制器墳計艿卯卜：式（18)中，sgn( ·)為符號函數，辦為采用滑模控制下的開關管SjPS4的占空比，ri為不 確定參數和干擾的上界，滿足n> I Φ (t) I >0。5.根據權利要求4所述的單相光伏并網逆變器的模糊自適應滑模控制方法，其特征在 于，步驟3中進行模糊自適應滑模控制器設計的具體步驟如下： 模糊系統/〇：；):、均采用乘積推理機、單值模糊器和中心解模糊器的方法 來進行設計以逼近以1)4(1)、巾（0，則逆變器的控制律相應設計為：其中，ri、r2、r3為自適應系數，為正常數。
【文檔編號】H02J3/38GK105846470SQ201610396981
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年6月7日
【發明人】鄧立華, 費峻濤, 蔡昌春, 江冰, 薛云燦
【申請人】河海大學常州校區