← 返回
基于终端滑模的三相锁相环用于并网逆变器
Three-Phase Phase-Locked Loop Based on Terminal Sliding Mode for Grid-Connected Inverters
| 作者 | Pooyan Alinaghi Hosseinabadi · Hemanshu Pota · Saad Mekhilef · Georgios Konstantinou · Michael Negnevitsky · Sobhan Mohamadian |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2024年10月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | 并网逆变器 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 三相锁相环 终端滑模控制器 滤波能力 稳定性 性能提升 |
语言:
中文摘要
在三相比例积分(PI)锁相环(PLL)系统中,同时实现最优动态性能和有效滤波是一项重大挑战。为应对这一挑战,本文提出了一种新方法,即在基于同步参考系的锁相环中,用终端滑模(TSM)控制器取代PI控制器。三相锁相环系统采用基于正交信号发生器的二阶广义积分器,以利用其先进的滤波能力。定义了一种新的高级滑模面和控制律,其中包含多个设计参数,并确保控制信号平稳。该方法在不影响控制器鲁棒性和快速动态响应的前提下,有效减少了抖振。利用李雅普诺夫理论证明了TSM - PLL的稳定性,确保其具有有限时间收敛性。本文在多种正常和异常电网条件下,包括弱电网、电压不平衡、谐波畸变和相位跳变等情况,对所提出的TSM - PLL进行了广泛评估,并与最先进的锁相环进行了对比。实验结果表明,所提出的锁相环在收敛速度、暂态响应、振荡抑制、最小稳态误差以及注入电网电流质量等方面均有显著提升。
English Abstract
Achieving optimal dynamic performance and effective filtering simultaneously presents a significant challenge in three-phase proportional-integral (PI)-phase-locked loop (PLL) systems. To address this challenge, the article introduces a novel approach by replacing the PI controller with a terminal sliding mode (TSM) controller within a synchronous reference frame-based PLL. The quadrature signal generator-based second-order generalized integrator is adopted for three-phase PLL systems to leverage its advanced filtering capabilities. A new advanced sliding surface and a control law are defined, incorporating multiple design parameters and ensuring a smooth control signal. This approach effectively minimizes chattering without compromising the controller’s robustness and fast dynamic response. The stability of the TSM-PLL is proven using Lyapunov’s theory, ensuring finite-time convergence. The proposed TSM-PLL is extensively evaluated under various normal and abnormal grid conditions, including weak grids, unbalanced voltages, harmonic distortion, and phase jumps, and compared against state-of-the-art PLLs. The experimental results reveal notable enhancements in convergence rate, transient response, oscillation reduction, minimum steady-state error of the PLL, and improved quality of the current injected into the grid.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于终端滑模控制的三相锁相环技术具有重要的应用价值。锁相环作为并网逆变器的核心控制模块,其性能直接影响光伏逆变器和储能系统的并网质量与稳定性。
该技术的核心创新在于用终端滑模控制器替代传统PI控制器,并结合二阶广义积分器的滤波能力,实现了动态性能与滤波效果的协同优化。对于阳光电源的产品线而言,这项技术可显著提升设备在复杂电网环境下的适应能力。特别是在弱电网、电压不平衡、谐波污染等恶劣工况下,该技术展现出的快速收敛、低稳态误差和抗扰动能力,能够有效解决当前大规模新能源接入带来的电网稳定性挑战。
从应用前景看,该技术对阳光电源在海外市场拓展尤为关键。许多发展中国家电网质量较差,传统锁相环难以保证可靠运行,而终端滑模控制的鲁棒性和有限时间收敛特性恰好契合这类应用场景。此外,在储能系统的双向变流器控制中,快速准确的相位跟踪能力可提升系统响应速度和能量转换效率。
技术挑战方面,滑模控制的抖振抑制虽在论文中有所改进,但实际工程应用仍需验证其在全工况下的稳定性。多参数设计增加了调试复杂度,需要建立系统化的参数整定方法。从技术成熟度评估,该技术已完成实验验证,但距离产品化应用还需进行长期可靠性测试和成本优化。建议阳光电源研发团队关注该技术方向,结合自身在数字控制算法方面的积累,探索其在下一代高性能逆变器产品中的集成可能性。