實現并網電壓跟蹤及MPPT的電流跟蹤控制方案

1 引言

太陽能以其清潔、無污染，取之不盡、用之不竭的優點備受關注。太陽能的利用方式主要包括熱利用、化學利用和光伏利用。經過近半個世紀的研究，太陽能光伏利用技術及其產業異軍突起，成為能源工業中的一支后起之秀。并網逆變器作為可再生能源發電系統與電網的接入口，在并網發電中起到關鍵作用。因此，研究用于并網逆變器的控制方法具有重大意義和廣闊前景。

這里詳細分析了光伏并網逆變器的工作原理及控制原理，并在此基礎上設計了一種基于ADRC的電流跟蹤控制方案。此控制方案能有效實現并網電壓跟蹤及MPPT。最后在仿真基礎上，進行了樣機實現設計。

2 光伏并網逆變器工作原理及控制

2．1 并網逆變器工作原理

圖1示出光伏并網逆變器系統組成。并網逆變器將可再生能源產生的直流電變換為正弦交流電，經過濾波后輸送到電網。采用輸入電壓源方式為主，一般由低壓直流電源經過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電壓的頻率和相位，保持正弦輸出，以達到并網運行的目的。圖1中，并網逆變器輸出高頻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，經交流側濾波電路濾除高頻信號后，向電網饋入同頻同相的正弦波電流。

2．2 并網逆變器控制策略

并網逆變器的控制主要分為對輸出電壓、電流的控制和MPPT。現有的控制方法包括滯環控制、雙環控制、空間矢量控制、無差拍控制和重復控制等。電網跟蹤控制設計的最終目的就是將直流電能發送至電網，即要求輸出電流與電網電壓同頻同相，且功率因數為1。系統采用小慣性電流跟蹤控制方法，以固定開關頻率的直接電流反饋控制進行電流內環設計。圖2為所提出的電流跟蹤控制并網控制原理框圖。通過采集太陽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與太陽能電池組件的實際電壓Ud比較后，其誤差經過PI調節器得到指令電流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)，再與實際并網側輸出電流比較后，通過ADRC，利用電壓前饋控制與電網電流反饋控制，使系統輸出與網側電網電壓同相位的正弦電流。

3 自抗擾控制器的設計及參數整定

3．1 自抗擾控制器原理

ADRC由跟蹤微分器(TD)、擴張狀態觀測器(ESO)和非線性狀態誤差反饋控制律(NLSEF)3部分組成。以二階被控對象為例，圖3為ADRC結構圖。其中Z為系統給定，Z11為安排的過渡過程，Z12為Z11微分，Z21，Z22，Z23為估計量，u為控制量，y為系統實際輸出，μ為所有擾動的綜合。

TD用來安排過渡過程，快速無超調地跟蹤輸入信號，并具有較好的微分特性，從而避免了設定值突變時，控制量的劇烈變化及輸出量的超調，很大程度上解決了系統響應快速性與超調性之間的矛盾。也正因為如此，使得ADRC在快速性要求較高的場合受到一定限制。

ESO是ADRC的核心部分，可以將來自系統內部或外部的各種因素都歸結為對系統的擾動。通過ESO估計出系統各個狀態變量，同時估計出系統的內外擾動并給予相應補償，從而實現系統的動態反饋線性化。TD輸出與ESO估計值取誤差得到系統狀態變量誤差。誤差量送入NLSEF運算后與來自ESO的補償量求和，最終得到被控對象的控制量。由于ADRC是根據系統的時間尺度來劃分對象的，所以在控制器設計時不用考慮系統的線性或非線性、時變或時不變，從而簡化了控制器設計。

3．2 自抗擾控制器參數整定

一階ADRC方程為：