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基于滑模控制的对逆变器进行直接的有功和无功功率调节

Jiabing Hu Lei Shang Yikang He Z. Q. Zhu

摘要

提出了一种用于三相电网并网逆变器的直接有功和无功功率控制方案。提出的DPC策略采用非线性滑模控制（SMC）方案，直接计算需要的变换器控制电压，以消除有源功率和无功功率的瞬时误差，而不涉及任何旋转坐标变换。同时，没有额外的电流控制回路，简化了系统设计，提高了暂态性能。利用空间向量调制实现恒变开关频率，方便了交流谐波滤波器的设计。并与经典的面向电压矢量控制（VC）和常规的查找表（LUT）的DPC策略进行了仿真和实验比较。所提出的SMC-DPC能够提供类似于LUT-DPC的增强暂态性能，并将稳态谐波光谱保持在与VC方案相同的水平。本文还考察了在有源和无功功率变化过程中，所提出的DPC对线路电感变化的鲁棒性。

关键词--逆变器，直接功率控制（DPC），滑动模式控制（SMC）。

命名

切换面。 转换器电流向量。

， 线路电感和电阻。 ， 输出有功，无功功率。

， 并网，转换器电压向量。 并网电压的角频率。

上标

共轭络合物。 * 参考值。 转位。

1.引言

由于智能电网、电力调节和传输设备[1]--[3]的迅速发展，包括柔性交流传输系统（事实）、HVDC系统和有源电力滤波器，而分布式和可再生发电系统[4]--[6]，如风能、光伏发电、燃料电池等的扩展渗透，在并网发电的逆变器的应用上有了巨大的增长。该变流器具有多个特点，包括功率因数可控的正弦线电流、小滤波器电容的高质量直流电压，以及双向潮流的有源功率和无功功率的独立控制能力。传统的并网逆变器的控制通常是基于网格电压[8],[9]或虚拟通量[10]定向矢量控制(VC)方案。该方案将交流电流分解为同步旋转参考系中的有源电源和无功电源。然后利用比例积分（PI）控制器对分解后的变流器电流进行调节，实现瞬时有源功率和无功功率的解耦控制。这种控制方法的一个主要缺点是，其性能高度依赖于电流解耦的完备性、PI参数的精确调优以及连接的电网电压条件。

基于直接转矩控制（DTC）[11]，[12]的原则，交流电机的策略，一种替代控制方法，即直接功率控制（DPC）是为了控制并网电压源转换器而开发的[13]-[15]。与传统的DTC相似，查找表（LUT）DPC，顾名思义，根据有源功率和无功功率的瞬时误差，直接从最优开关表中选择合适的转换器开关信号，以及变流器端电压的角位置[13]或虚拟磁通向量，即用电压传感器测量的变流器端电压的积分[14]或根据dc-link和变流器开关状态估计的[15]。由于引入了可变开关频率，产生了不需要的宽带谐波频谱范围，使得线路滤波器的设计相当困难。在[16]中，作者提出了一种基于模型的预测控制的有源前端整流器的DPC方案。利用离散模型预测电压和电流的未来值，通过选择最佳开关状态直接控制有源功率和无功功率，这种开关状态是通过将转换器所需行为的成本函数最小化而得到的。这种方法的主要优点是不需要线性电流控制器、坐标变换或调制器。尽管电流是正弦的，具有低谐波扭转；它的频谱分布在一个频率范围内，这被认为是控制策略的一个缺点，这方面的改进对未来的研究工作是一个挑战。

在DTC和DPC策略中，[17]--[20]都做出了各种努力，以实现恒定的开关频率。在[17]中，输出电压向量是使用传统的dtc开关表选择的，但每个电压向量的持续时间是由扭纹最小策略决定的。而在[18]中，转换器控制电压是根据每个采样周期内的扭矩和通量误差直接计算的，然后使用空间矢量调制（SVM）技术。同样，对于并网转换器，所需的控制电压是根据有源功率和无功功率[19]的瞬时误差或从有源功率和无功功率pi;控制器的输出[20]得到的。同时还采用了SVM模块，并在同步旋转参考系中实现了[19]中的控制策略，[20]中也需要PI控制器。基于预测控制方法的DPC/DTC策略分别用于并网逆变器[21]和双馈感应机[22]，[23]。这些方法需要复杂的在线计算，并且对系统参数的变化相当敏感[24]。

滑模控制（SMC），基于变结构控制策略，是一种针对具有不确定性的非线性系统的有效高频切换控制[25]、[26]。在[25]中初步提出了单片机的设计原则及其在电力传动系统中的应用。它具有实现简单、抗干扰、鲁棒性强、响应速度快等特点，但受控制状态可能表现出不需要的抖振。 因此，在[27]中提出了一种面向和调节定子磁通的基于SMC的感应电机DTC驱动器。由于采用了开关元件和线性元件，它被命名为线性可变结构控制（LVSC）。

由于风力涡轮机和发电机的外部扰动和未建模的动态具有很强的鲁棒性，在气动控制方面，可再生能源应用中采用了一些二级的中小型企业方法[28]，[29]和功率转换器控制[30]--[32]。双馈电感应发电机（DFIGER）的转子侧变流器，分别由海洋电流涡轮[30]和风力涡轮机[31]驱动，提出了二阶SMC方案，用于调节同步参考系中定子磁通定向的d、q轴转子电流或d轴转子电流和电控扭矩。显然，类似于VC[8]--[10]和预测型DPC[19]方案，这些转换器的控制策略[30]，[31]基于SMC方法，还需要与定子磁通的角信息相关联的同步坐标变换。此外，与传统的风险控制方案相同，还需要额外的主动/无功功率外部控制回路，以生成d-和q轴转子电流的参考值。因此，通过在[27]中采用LVSC方法，在[32]中提出了一种用于风力涡轮机DFIGS的滑模DPC（SM-DPC）解决方案，以直接调节定子的有功功率和无功功率。在同步参考系中得到转子电压参考，然后转化为转子参考系，用SVM产生开关状态。这一过程仍然需要同步坐标变换和定子通量的角信息。并在[33]中提出了一种在面向虚拟流的同步参考系中实现的离散时间SM DPC方案。尽管动态响应更好，对电网电压不平衡和失真的敏感度比经典的网格电压导向的VC方案低，但这种SM-DPC还需要虚拟通量和同步坐标变换的角信息。

图1.在稳定框架上的并网逆变器的等效电路

本文的主要贡献是将DPC策略SM方法和SVM调制技术结合起来，直接调节并网式逆变器的瞬时有功功率和无功功率，而不涉及任何电流控制回路和同步坐标变换。在静止参考系中可以简单地得到所需的变换器控制电压，然后采用SVM技术实现恒定的开关频率。因此，由于使用了SVM模块，得到了与传统的IT-DPC相似的增强暂态性能，并将稳态电流谐波谱保持在与经典的VC策略相同的水平上。

本文其余部分的编排如下。第二节给出了并网式直流交流变流器的瞬时有源和无功功率流。第三节提出了基于SMC的DPC策略，并对其进行了设计和分析。第四节和第五节分别给出了3-kvVA原型逆变器系统的仿真和实验结果，以验证所提出的SMC-DPC策略的性能。最后，结论载于第六节。

1. 并网逆变器的建模

将供应网络和三相电压源型逆变器的输出作为理想的电压源，图1显示了固定参考系中并网逆变器的简化等效电路。

根据图1，固定参考系中的电源、变流器电压和线路电流之间的关系给出为

。 （1）

在固定参考系中，对于平衡的三相系统，从网络一侧看到的瞬时有功和无功功率输出可定义为[34]--[36]

（2）

和

（3）

区分(3)导致瞬时有功功率和无功功率的变化为

（4）

如(4)所示，为了产生有功和无功功率变化，需要有网络电压变化。考虑非扭曲的网络，即，

（5）

瞬时电网电压变化可以得到为

. （6）

基于(1)，瞬时电流变化可以用各自的alpha;,beta;分量表示为

（7）

将(6)和(7)代入(4)

（8）

这是本文设计的直接功率控制方案的关键表达式。

图2.并网逆变器的传统LUT-DPC示意图

1. 采用SMC方法进行直接电源控制

3.1常规查阅表格DPC

根据传统的DPC[13]--[15]原理，对于三相并网逆变器，通过一定的开关规则在每个采样瞬间选择适当的电压向量，以限制其所要求的迟滞带内的瞬时有功功率和无功功率的变化，分别如图2所示。有功功率控制器和无功功率控制器可以是两级或三级滞后比较器，根据有源功率误差和无功功率误差，生成作为开关表输入的离散信号。具有迟滞控制器的错误标志，并通过参考网格电压向量[13]或虚拟通量向量[14]、[15]所在的扇区，转换器的开关信号是根据一定的开关规则从预定义的查找表直接生成的。因此，原始的DPC算法是在静止参考系中完成的，不涉及任何脉冲宽度调制模块，这是可能实现最大动态性能可用的。此外，它不需要内部电流控制回路和坐标变换，避免了变换变量之间的耦合效应。

然而，人们强调指出，传统的并网逆变器的LUT-DPC是一个滞后的bang-bang控制，通过在每个采样周期内应用单一的全电压向量，从而在瞬时有源功率和反应功率中产生高的颤振。更糟的是，它的主要缺点是非固定的开关频率，通常是不有界的，主要取决于采样时间、查找表结构、负载参数和系统的运行状态。因此，LUT-DPC策略产生了一个分散的谐波频谱，使得并网转换器的线路滤波器的设计相当困难，有时会导致可能的网格共振，并使电力系统的运行稳定性恶化。因此，LUT-DPC很难适用于逆变器的并网操作。

提出了一种基于SMC方法和SVM方案的新型DPC，并在下面的部分中针对并网逆变器进行了设计。通过这种方法，可以得到较高的瞬态动力学和恒定的开关频率。

3.2基于SMC的DPC建议

具有可变控制结构的SMC策略是基于不连续控制信号的设计，它将系统运行状态导向状态空间中的特殊流形[25]、[26]。选择这些流形的方式是，当国家向它们收敛时，控制系统将具有所期望的行为。本文根据传统的LUT-DPC概念，提出了一种用于调节并网逆变器瞬时有功功率和无功功率的单片机方案。

1. 滑动面：逆变器的控制目标是跟踪或沿预定的有功和无功功率轨迹滑动。为此，滑动曲面设置为

（9）

为了保持增强的瞬态响应并尽量减小稳态误差，开关表面可以是积分形式[37]，[38]，也可以是通过反步和非线性阻尼技术设计的[39]。

（10）

其中和是瞬时有功功率和无功功率的参考值与实际值之间的误差。和是积极的控制增益。流形=0和=0表示对转换器的有源功率和无功功率的精确跟踪。当系统状态到达滑流形并沿系统状态滑动到达滑流形并沿表面滑动时，我们有

（11）

根据（10）和（11），和的导数等于零，即

（12）

上述方程确保功率误差收敛于零，其中和是正常数，用于满足所需的系统瞬态。由于(10)在开始时等于零，因此，有源电力系统和无功电力系统将渐近收敛于时间常数分别为1/和1/的原点。然后，设计任务的目的是在不连续的变换器电压空间向量的流形中完成=0和=0。

1. SMC定律：在SMC设计中，正如其名称所示，任务是将系统的状态轨迹强迫到前面提到的开关曲面之间的相互作用。提出了一种以变流器输出电压参考为输入的变流器输出电压参考的SVM模块。

系统(3)和(8)在子空间上的运动投影是通过对(10)中的进行微分而得到的，即，

（13）

将(8)代入(13)得

（14a）

其中

（14b）

以及

在SMC中，通常使用Lyapunov方法来推导将驱动状态轨道到平衡流形的控制律上的条件。二次李雅普诺夫函数被选为

（15）

然后，在(14)的状态轨迹上，W的时间导数由

. （16）

必须正确选择开关控制定律，使W的时间导数在S=0时绝对为负数。因此，选择了以下控制法

（17）

在和是正控制增益的情况下，sgn（）和sgn（）分别是主动和被动功率的交换功能。

1. 稳定性的证明：对于抗滑动表面的稳定性来说，dW/dtlt;0就足够了。通过设置相应的开关功能，只要满

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