實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電壓跟蹤及MPPT的電流跟蹤控制方案

1 引言

太陽(yáng)能以其清潔、無(wú)污染，取之不盡、用之不竭的優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注。太陽(yáng)能的利用方式主要包括熱利用、化學(xué)利用和光伏利用。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的研究，太陽(yáng)能光伏利用技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)異軍突起，成為能源工業(yè)中的一支后起之秀。并網(wǎng)逆變器作為可再生能源發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的接入口，在并網(wǎng)發(fā)電中起到關(guān)鍵作用。因此，研究用于并網(wǎng)逆變器的控制方法具有重大意義和廣闊前景。

這里詳細(xì)分析了光伏并網(wǎng)逆變器的工作原理及控制原理，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種基于ADRC的電流跟蹤控制方案。此控制方案能有效實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電壓跟蹤及MPPT。最后在仿真基礎(chǔ)上，進(jìn)行了樣機(jī)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。

2 光伏并網(wǎng)逆變器工作原理及控制

2．1 并網(wǎng)逆變器工作原理

圖1示出光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)組成。并網(wǎng)逆變器將可再生能源產(chǎn)生的直流電變換為正弦交流電，經(jīng)過濾波后輸送到電網(wǎng)。采用輸入電壓源方式為主，一般由低壓直流電源經(jīng)過DC／DC升壓后得到高壓直流電源。輸出控制采用電流控制方式的全橋逆變電路。通過控制電感電流的頻率和相位跟蹤電網(wǎng)電壓的頻率和相位，保持正弦輸出，以達(dá)到并網(wǎng)運(yùn)行的目的。圖1中，并網(wǎng)逆變器輸出高頻SVPWM電壓，Rs為濾波電感和線路的等效電阻。主電路逆變橋左右橋臂分別加以相位差為180°的SVPWM脈沖，經(jīng)交流側(cè)濾波電路濾除高頻信號(hào)后，向電網(wǎng)饋入同頻同相的正弦波電流。

2．2 并網(wǎng)逆變器控制策略

并網(wǎng)逆變器的控制主要分為對(duì)輸出電壓、電流的控制和MPPT。現(xiàn)有的控制方法包括滯環(huán)控制、雙環(huán)控制、空間矢量控制、無(wú)差拍控制和重復(fù)控制等。電網(wǎng)跟蹤控制設(shè)計(jì)的最終目的就是將直流電能發(fā)送至電網(wǎng)，即要求輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，且功率因數(shù)為1。系統(tǒng)采用小慣性電流跟蹤控制方法，以固定開關(guān)頻率的直接電流反饋控制進(jìn)行電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)。圖2為所提出的電流跟蹤控制并網(wǎng)控制原理框圖。通過采集太陽(yáng)能電池組件的電流與電壓，利用MPPT控制方法可得參考電壓Umax。Umax與太陽(yáng)能電池組件的實(shí)際電壓Ud比較后，其誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到指令電流iref，與正弦波參考相乘后得到正弦電流指令ig(ig即為ADRC所需要的參考電流)，再與實(shí)際并網(wǎng)側(cè)輸出電流比較后，通過ADRC，利用電壓前饋控制與電網(wǎng)電流反饋控制，使系統(tǒng)輸出與網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)電壓同相位的正弦電流。

3 自抗擾控制器的設(shè)計(jì)及參數(shù)整定

3．1 自抗擾控制器原理

ADRC由跟蹤微分器(TD)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(ESO)和非線性狀態(tài)誤差反饋控制律(NLSEF)3部分組成。以二階被控對(duì)象為例，圖3為ADRC結(jié)構(gòu)圖。其中Z為系統(tǒng)給定，Z11為安排的過渡過程，Z12為Z11微分，Z21，Z22，Z23為估計(jì)量，u為控制量，y為系統(tǒng)實(shí)際輸出，μ為所有擾動(dòng)的綜合。

TD用來(lái)安排過渡過程，快速無(wú)超調(diào)地跟蹤輸入信號(hào)，并具有較好的微分特性，從而避免了設(shè)定值突變時(shí)，控制量的劇烈變化及輸出量的超調(diào)，很大程度上解決了系統(tǒng)響應(yīng)快速性與超調(diào)性之間的矛盾。也正因?yàn)槿绱耍沟肁DRC在快速性要求較高的場(chǎng)合受到一定限制。

ESO是ADRC的核心部分，可以將來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部或外部的各種因素都?xì)w結(jié)為對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)。通過ESO估計(jì)出系統(tǒng)各個(gè)狀態(tài)變量，同時(shí)估計(jì)出系統(tǒng)的內(nèi)外擾動(dòng)并給予相應(yīng)補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反饋線性化。TD輸出與ESO估計(jì)值取誤差得到系統(tǒng)狀態(tài)變量誤差。誤差量送入NLSEF運(yùn)算后與來(lái)自ESO的補(bǔ)償量求和，最終得到被控對(duì)象的控制量。由于ADRC是根據(jù)系統(tǒng)的時(shí)間尺度來(lái)劃分對(duì)象的，所以在控制器設(shè)計(jì)時(shí)不用考慮系統(tǒng)的線性或非線性、時(shí)變或時(shí)不變，從而簡(jiǎn)化了控制器設(shè)計(jì)。

3．2 自抗擾控制器參數(shù)整定

一階ADRC方程為：