一种并网逆变器功率跟踪控制策略研究 跟踪, 电流, 最大功率

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摘要：分析了一种并网逆变器的功率跟踪控制方案。由于采用自抗扰控制器(ADRC)，输出电流能够很好地跟踪电网电压，并能实现最大功率点跟踪(MPPT)。通过对电流的闭环跟踪控制，实现了单位功率因数运行，并向电网馈送电能。实验表明，采用ADRC，稳定快速，输出电流超调小，能够有效地抑制各种扰动，且启动性能与稳定性能都要优于常规控制器。
关键词：逆变器；自抗扰控制器；电流跟踪控制；鲁棒性

1 引言
太阳能以其清洁、无污染，取之不尽、用之不竭的优点备受关注。太阳能的利用方式主要包括热利用、化学利用和光伏利用。经过近半个世纪的研究，太阳能光伏利用技术及其产业异军突起，成为能源工业中的一支后起之秀。并网逆变器作为可再生能源发电系统与电网的接入口，在并网发电中起到关键作用。因此，研究用于并网逆变器的控制方法具有重大意义和广阔前景。
这里详细分析了光伏并网逆变器的工作原理及控制原理，并在此基础上设计了一种基于ADRC的电流跟踪控制方案。此控制方案能有效实
现并网电压跟踪及MPPT。最后在仿真基础上，进行了样机实现设计。

2 光伏并网逆变器工作原理及控制
2．1 并网逆变器工作原理
图1示出光伏并网逆变器系统组成。并网逆变器将可再生能源产生的直流电变换为正弦交流电，经过滤波后输送到电网。采用输入电压源方式为主，一般由低压直流电源经过DC／DC升压后得到高压直流电源。输出控制采用电流控制方式的全桥逆变电路。通过控制电感电流的频率和相位跟踪电网电压的频率和相位，保持正弦输出，以达到并网运行的目的。图1中，并网逆变器输出高频SVPWM电压，Rs为滤波电感和线路的等效电阻。主电路逆变桥左右桥臂分别加以相位差为180°的SVPWM脉冲，经交流侧滤波电路滤除高频信号后，向电网馈入同频同相的正弦波电流。


2．2 并网逆变器控制策略
并网逆变器的控制主要分为对输出电压、电流的控制和MPPT。现有的控制方法包括滞环控制、双环控制、空间矢量控制、无差拍控制和重复控制等。电网跟踪控制设计的最终目的就是将直流电能发送至电网，即要求输出电流与电网电压同频同相，且功率因数为1。系统采用小惯性电流跟踪控制方法，以固定开关频率的直接电流反馈控制进行电流内环设计。图2为所提出的电流跟踪控制并网控制原理框图。通过采集太阳能电池组件的电流与电压，利用MPPT控制方法可得参考电压Umax。Umax与太阳能电池组件的实际电压Ud比较后，其误差经过PI调节器得到指令电流iref，与正弦波参考相乘后得到正弦电流指令ig(ig即为ADRC所需要的参考电流)，再与实际并网侧输出电流比较后，通过ADRC，利用电压前馈控制与电网电流反馈控制，使系统输出与网侧电网电压同相位的正弦电流。
3 自抗扰控制器的设计及参数整定
3．1 自抗扰控制器原理
ADRC由跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)和非线性状态误差反馈控制律(NLSEF)3部分组成。以二阶被控对象为例，图3为ADRC结构图。其中Z为系统给定，Z11为安排的过渡过程，Z12为Z11微分，Z21，Z22，Z23为估计量，u为控制量，y为系统实际输出，μ为所有扰动的综合。


TD用来安排过渡过程，快速无超调地跟踪输入信号，并具有较好的微分特性，从而避免了设定值突变时，控制量的剧烈变化及输出量的超调，很大程度上解决了系统响应快速性与超调性之间的矛盾。也正因为如此，使得ADRC在快速性要求较高的场合受到一定限制。
ESO是ADRC的核心部分，可以将来自系统内部或外部的各种因素都归结为对系统的扰动。通过ESO估计出系统各个状态变量，同时估计出系统的内外扰动并给予相应补偿，从而实现系统的动态反馈线性化。TD输出与ESO估计值取误差得到系统状态变量误差。误差量送入NLSEF运算后与来自ESO的补偿量求和，最终得到被控对象的控制量。
由于ADRC是根据系统的时间尺度来划分对象的，所以在控制器设计时不用考虑系统的线性或非线性、时变或时不变，从而简化了控制器设计。
3．2 自抗扰控制器参数整定
一阶ADRC方程为：

TD方程，ESO方程及式(1)中非线性函数fun用来安排过渡过程，其中r为速度因子，r越大，跟踪速度越快，h为步长。
ADRC控制性能主要取决于参数的合理选取，而参数的调整主要依靠设计者的工程经验，并利用仿真反复试选确定。对ADRC参数调整方法一般可分为两步，首先把TD／ESO／NLSEF看作彼此独立的3部分。整定TD和ESO的参数，待这两部分调整得到满意的效果后结合NLSEF对ADRC进行整体参数整定。将自抗扰控制技术引入基于电流跟踪的SVPWM光伏逆变器中，采用ADRC进行电流跟踪控制，用ESO对包括负载在内的未知扰动进行观测。通过ESO对负载变化及时、准确地估计和补偿，能有效抑制各种扰动带来的影响。

4 基于ADRC的并网逆变器控制系统
并网逆变器的控制目标是实现正弦电流输出和相位控制，使逆变器工作在单位功率因数并网模式或无功补偿模式。常见的电流控制方法有PID控制，但其对正弦参考量难以消除稳态误差。为了解决该问题，采用ADRC实现了正弦电流控制的零稳态误差，并在快速性与稳定性上优于常规PID控制器性能。
基于ADRC的光伏逆变器电流跟踪控制结构如图4所示。由于开关频率(10 kHz)远高于电网频率，因此为了便于分析，忽略开关动作对系统的影响，将SVPWM逆变单元近似为一惯性环节。滤波环节中，R为电感L的串联等效电阻，ug为电网电压，i*为与电网电压同频同相的并网电流参考信号。反馈信号从逆变器的输出接入，经ADRC进行参数调整，得到与参考指令相比较的信号，进而送入逆变器进行控制。


基于ADRC的光伏逆变器电流跟踪控制数学模型如图5所示，其输出电流的传递函数I=AI*-A(ugrid+其他扰动μ)，其中A=Gpi(s)Ginv(s)／[sL+R+Gpi(s)Ginv(s)]，Gpi(s)=(Kps+Ki)／s，Ginv(s)=KPWM／(TPWMs+1)。可见，逆变器的输出电流与参考电流、电网电压有关，采用ADRC闭环控制，能够抑制来自包括电网及其他方面的扰动。
5 仿真与实验验证
采用仿真软件Matlab／Simulink对上述控制策略进行系统仿真，得到ADRC的整定参数，设计硬件电路进行实验，采样频率10 kHz，电路参数为：L=1．5 mH；C=470μF；额定输入峰值电压为160 V；开关频率为10 kHz；电流参考指令峰值为50 A。由仿真可知，采用ADRC实现电流跟踪控制能达到预定效果，且电流波质量良好，谐波含量低。
以TMS320LF2812型DSP为基础，验证了自抗扰控制系统的性能，并网逆变器自抗扰电流跟踪控制硬件框图如图6所示。ADRC参数的整定
和相应的控制逆变器开关算法通过软件实现。


图7a，b分别为采用传统控制方案和ADRC控制的并网电压、电流波形，图7c为稳定状态下ADRC控制系统的电压、电流波形。


可见，由于采用ADRC控制，其ESO将来自系统内部或外部的各种因素都归结为对系统的扰动并对其进行抑制，稳态下，其性能明显优于普通的PID控制器。在启动阶段，ADRC能快速进入稳定状态且超调小。在实际并网发电系统中，能够减小对电网的冲击，有利于并网的实现。

6 结论
应用ADRC实现了光伏并网逆变器的电流跟踪控制。该控制策略能够对内外扰动进行观测和补偿，使得系统在参数变化和负载扰动时，仍能得到期望性能，具有较强的鲁棒性。从系统仿真和实验结果分析，所提出的控制策略能够实现输出电流为正弦，且与电网侧相位相同，与常规控制策略相比，具有超调小，响应速度快等优点。

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