一種并網(wǎng)逆變器功率跟蹤控制策略研究

摘要：分析了一種并網(wǎng)逆變器的功率跟蹤控制方案。由于采用自抗擾控制器(ADRC)，輸出電流能夠很好地跟蹤電網(wǎng)電壓，并能實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)。通過對電流的閉環(huán)跟蹤控制，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)運(yùn)行，并向電網(wǎng)饋送電能。實(shí)驗(yàn)表明，采用ADRC，穩(wěn)定快速，輸出電流超調(diào)小，能夠有效地抑制各種擾動(dòng)，且啟動(dòng)性能與穩(wěn)定性能都要優(yōu)于常規(guī)控制器。
關(guān)鍵詞：逆變器；自抗擾控制器；電流跟蹤控制；魯棒性

1 引言
太陽能以其清潔、無污染，取之不盡、用之不竭的優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注。太陽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輸出電壓、電流的控制和MPPT?，F(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(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用來安排過渡過程，快速無超調(diào)地跟蹤輸入信號，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?，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(tǒng)內(nèi)部或外部的各種因素都?xì)w結(jié)為對系統(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)算后與來自ESO的補(bǔ)償量求和，最終得到被控對象的控制量。
由于ADRC是根據(jù)系統(tǒng)的時(shí)間尺度來劃分對象的，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：

TD方程，ESO方程及式(1)中非線性函數(shù)fun用來安排過渡過程，其中r為速度因子，r越大，跟蹤速度越快，h為步長。
ADRC控制性能主要取決于參數(shù)的合理選取，而參數(shù)的調(diào)整主要依靠設(shè)計(jì)者的工程經(jīng)驗(yàn)，并利用仿真反復(fù)試選確定。對ADRC參數(shù)調(diào)整方法一般可分為兩步，首先把TD／ESO／NLSEF看作彼此獨(dú)立的3部分。整定TD和ESO的參數(shù)，待這兩部分調(diào)整得到滿意的效果后結(jié)合NLSEF對ADRC進(jìn)行整體參數(shù)整定。將自抗擾控制技術(shù)引入基于電流跟蹤的SVPWM光伏逆變器中，采用ADRC進(jìn)行電流跟蹤控制，用ESO對包括負(fù)載在內(nèi)的未知擾動(dòng)進(jìn)行觀測。通過ESO對負(fù)載變化及時(shí)、準(zhǔn)確地估計(jì)和補(bǔ)償，能有效抑制各種擾動(dòng)帶來的影響。

4 基于ADRC的并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)
并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)正弦電流輸出和相位控制，使逆變器工作在單位功率因數(shù)并網(wǎng)模式或無功補(bǔ)償模式。常見的電流控制方法有PID控制，但其對正弦參考量難以消除穩(wěn)態(tài)誤差。為了解決該問題，采用ADRC實(shí)現(xiàn)了正弦電流控制的零穩(wěn)態(tài)誤差，并在快速性與穩(wěn)定性上優(yōu)于常規(guī)PID控制器性能。
基于ADRC的光伏逆變器電流跟蹤控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。由于開關(guān)頻率(10 kHz)遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻率，因此為了便于分析，忽略開關(guān)動(dòng)作對系統(tǒng)的影響，將SVPWM逆變單元近似為一慣性環(huán)節(jié)。濾波環(huán)節(jié)中，R為電感L的串聯(lián)等效電阻，ug為電網(wǎng)電壓，i*為與電網(wǎng)電壓同頻同相的并網(wǎng)電流參考信號。反饋信號從逆變器的輸出接入，經(jīng)ADRC進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，得到與參考指令相比較的信號，進(jìn)而送入逆變器進(jìn)行控制。

基于ADRC的光伏逆變器電流跟蹤控制數(shù)學(xué)模型如圖5所示，其輸出電流的傳遞函數(shù)I=AI*-A(ugrid+其他擾動(dòng)μ)，其中A=Gpi(s)Ginv(s)／[sL+R+Gpi(s)Ginv(s)]，Gpi(s)=(Kps+Ki)／s，Ginv(s)=KPWM／(TPWMs+1)。可見，逆變器的輸出電流與參考電流、電網(wǎng)電壓有關(guān)，采用ADRC閉環(huán)控制，能夠抑制來自包括電網(wǎng)及其他方面的擾動(dòng)。

5 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
采用仿真軟件Matlab／Simulink對上述控制策略進(jìn)行系統(tǒng)仿真，得到ADRC的整定參數(shù)，設(shè)計(jì)硬件電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采樣頻率10 kHz，電路參數(shù)為：L=1．5 mH；C=470μF；額定輸入峰值電壓為160 V；開關(guān)頻率為10 kHz；電流參考指令峰值為50 A。由仿真可知，采用ADRC實(shí)現(xiàn)電流跟蹤控制能達(dá)到預(yù)定效果，且電流波質(zhì)量良好，諧波含量低。
以TMS320LF2812型DSP為基礎(chǔ)，驗(yàn)證了自抗擾控制系統(tǒng)的性能，并網(wǎng)逆變器自抗擾電流跟蹤控制硬件框圖如圖6所示。ADRC參數(shù)的整定
和相應(yīng)的控制逆變器開關(guān)算法通過軟件實(shí)現(xiàn)。

圖7a，b分別為采用傳統(tǒng)控制方案和ADRC控制的并網(wǎng)電壓、電流波形，圖7c為穩(wěn)定狀態(tài)下ADRC控制系統(tǒng)的電壓、電流波形。

可見，由于采用ADRC控制，其ESO將來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部的各種因素都?xì)w結(jié)為對系統(tǒng)的擾動(dòng)并對其進(jìn)行抑制，穩(wěn)態(tài)下，其性能明顯優(yōu)于普通的PID控制器。在啟動(dòng)階段，ADRC能快速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)且超調(diào)小。在實(shí)際并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，能夠減小對電網(wǎng)的沖擊，有利于并網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)論
應(yīng)用ADRC實(shí)現(xiàn)了光伏并網(wǎng)逆變器的電流跟蹤控制。該控制策略能夠?qū)?nèi)外擾動(dòng)進(jìn)行觀測和補(bǔ)償，使得系統(tǒng)在參數(shù)變化和負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，仍能得到期望性能，具有較強(qiáng)的魯棒性。從系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，所提出的控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電流為正弦，且與電網(wǎng)側(cè)相位相同，與常規(guī)控制策略相比，具有超調(diào)小，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。