基于滑模控制的三相雙降壓式并網逆變器

在可再生能源發電技術飛速發展的今天，并網逆變器作為可再生能源發電的關鍵設備，已經成為當前的研究熱點。三相雙壓式并網逆變器作為一種新型拓撲，從根本上克服了傳統的三相橋式并網逆變器存在的橋臂直通問題[1-2]，工作時不用插入死區時間，可以很好地提高輸出波形的質量。因此，三相雙降壓式并網逆變器具有重要的應用價值。但是在三相雙降壓式并網逆變器的控制研究中，目前常見的只有傳統的PWM控制、滯環控制和單周控制。其中PWM控制的動態性能差且存在穩態誤差[3]；而滯環控制雖然具有很好的魯棒性但其開關頻率不固定，從而導致濾波器設計困難[4]；單周控制雖然不存在穩態誤差且抗輸入擾動能力強，但其抗輸出擾動能力薄弱[5]。
采用滑模控制則能很好地解決上述控制的問題，為此本文對三相雙降壓式并網逆變器的滑模控制進行了研究。首先對該拓撲進行了等效分析，然后依據等效分析電路重點對三相雙降壓式并網逆變器的滑模控制進行了設計，并在控制律中采用了平滑函數來取代符號函數以削弱抖振。
1 三相雙降壓式并網逆變器及其等效分析
三相雙降壓式并網逆變器由3個單相雙降壓式半橋并網逆變器組成，其拓撲結構如圖1所示。

理想情況下，圖1所示拓撲中電感均相等，假設都等于L，且可以忽略橋臂直通問題。因此，當三相雙降壓式并網逆變器運行在六段運行模式時，可以將三相雙降壓式并網逆變器的開關和二極管等效重組成如圖3所示的等效分析電路。以區間Ⅰ為例進行分析，可以看出當三相雙降壓式并網逆變器和等效分析電路都按照表1運行在六段運行模式時，它們在該區間可以等效成同一個電路，如圖4所示。同理在其他區間時三相雙降壓式并網逆變器與其等效分析電路都有一個對應的等效電路。

式中起削弱抖振作用的δd和δq通常取一個很小的正值。
設計好的滑模控制系統需要嚴格按等效分析電路對應的開關接入三相雙降壓式并網逆變器。由于等效分析成立的前提是三相雙降壓式并網逆變器與等效分析電路都運行在六段運行模式，故在接入對應控制信號時，必須經過六段運行模式控制器后接入，以保證其運行在六段運行模式。
3 仿真分析
為了驗證上述理論分析的正確性與滑模控制下三相雙降壓式并網逆變器的工作性能，利用仿真軟件搭建電路模型進行仿真驗證。參數設置：直流輸入電壓Uin=1 250 V，所有電感都取1 mH，電網電壓有效值為220 V，電網電壓頻率fs=50 Hz，并網電流參考信號與各相電網電壓同頻同相；高頻單元采用滑模控制其調制器中三角波在仿真時可以取比較高的頻率以保證準滑動模態；輸入電壓擾動從1 250 V躍變至1 600 V，電網擾動時取電網電壓波動為15%。
從圖5可以看出，在滑模控制下，三相雙降壓式并網逆變器輸出的并網電流與電網電壓同頻同相，實現了單位功率因數向電網輸出電能，經過FFT分析得并網電流的THD=1.61%，這表明并網逆變器輸出的電流波形質量好，符合并網指標。圖6表明三相雙降壓式并網逆變器工作在六段運行模式。圖7表明輸入電壓擾動和電網電壓擾動時，逆變器的輸出并網電流幾乎不變，這說明滑模控制下的三相雙降壓式并網逆變器對輸入電壓擾動和電網電壓擾動具有很好的抑制能力，在各種常見擾動下依然能輸出高質量的電能。

本文在對三相雙降壓式并網逆變器拓撲結構進行介紹的基礎上，對其進行了等效分析，然后根據三相雙降壓式并網逆變器的等效分析電路，重點對其滑模控制進行了設計，并在控制律中采用了平滑函數來取代符號函數以削弱抖振。理論分析與仿真結果表明，采用滑模控制后的三相雙降壓式并網逆變器獲得了很好的動態和穩態性能，其輸出電流的總諧波畸變率小，能快速跟蹤電網電壓，實現以單位功率因數向電網輸電，并且在各種常見擾動下基本不受影響，依然能保證向電網輸送高質量的電能。
參考文獻
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