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基于滑模方法的不平衡与弱电网下并网逆变器有限时间鲁棒控制器

Finite-Time Robust Controller Using Sliding Mode Approach for Grid-Connected Inverters Under Unbalanced and Weak Grids

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中文摘要

本文提出并通过实验验证了一种用于并网三相逆变器的新型无抖振有限时间滑模控制器,旨在提高注入电网的电流质量。所提出的控制器应用于电流控制环和锁相环(PLL)。该控制器融入了有限时间稳定性概念,确保在特定的调节时间内实现稳定,并且与传统的渐近稳定性相比,响应速度更快。其设计特点是在滑模面和控制律中引入了具有多个可调设计参数的新型非线性项。此外,通过对符号函数进行时间积分来平滑控制信号。这种方法在设计参数选择上提供了更大的灵活性,能够有效平衡快速响应、鲁棒性和抖振消除。针对趋近阶段和滑模阶段,对闭环系统进行了李雅普诺夫稳定性分析证明。在包括弱电网和不平衡电压等异常电网条件下进行的全面实验对比,凸显了所提方法的有效性。结果表明,该方法在鲁棒性、收敛速度和抖振抑制方面均有改善,最终提高了注入电网的电流质量。

English Abstract

This article presents and experimentally validates a new chattering-free, finite-time sliding mode controller for grid-connected three-phase inverters, aimed at enhancing the quality of current injected into the grid. The proposed controller is applied to both the current control loop and the phase-locked loop (PLL). It incorporates the finite-time stability concept, ensuring stability within a specific settling time and offering a faster response compared to conventional asymptotic stability. The design features new nonlinear terms with multiple adjustable design parameters in the sliding surfaces and control laws. Additionally, the control signal is smoothed by computing the time integral of the sign function. This approach provides increased flexibility in design parameter selection, effectively balancing fast response, robustness, and chattering elimination. The Lyapunov stability proof for the closed-loop system is analytically obtained for both the reaching and sliding phases. A comprehensive experimental comparison under abnormal grid conditions, including weak grids and unbalanced voltages, highlights the effectiveness of the proposed approach. The results demonstrate improvements in robustness, convergence rate, and chattering reduction, ultimately enhancing the quality of the current injected into the grid.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务角度分析,这项基于有限时间滑模控制的并网逆变器技术具有显著的应用价值。该技术直接针对弱电网和不平衡电压等非正常工况,这正是我们光伏逆变器和储能系统在实际应用中面临的核心挑战,尤其在电网基础设施薄弱的新兴市场和高比例新能源接入场景。

技术层面,该方案通过在电流控制环和锁相环同时应用有限时间滑模控制器,实现了响应速度、鲁棒性和抖振抑制的优化平衡。相比传统渐近稳定控制,有限时间稳定性保证了可预测的建立时间,这对提升我们逆变器产品的并网电能质量和动态响应性能具有直接价值。通过对符号函数的时间积分处理实现无抖振控制,可有效降低功率器件应力,延长IGBT等关键元器件寿命,这对提升产品可靠性和降低运维成本意义重大。

从应用前景看,该技术已完成实验验证,技术成熟度较高,可考虑在新一代组串式和集中式逆变器中试点应用。特别是在我们的储能变流器PCS产品线,面对电网扰动时的快速响应能力将直接提升系统的电网支撑能力和调频调峰性能。

潜在挑战在于多参数协同整定的复杂性和实时计算负荷。需要评估现有DSP/FPGA控制平台的算力余量,可能需要优化算法实现或升级硬件平台。建议与研发团队合作开展联合攻关,将该技术与我们现有的弱电网自适应控制策略融合,形成差异化的技术竞争优势,特别是在"一带一路"沿线电网条件复杂的市场中建立技术壁垒。