实现并网电压跟踪及MPPT的电流跟踪控制方案

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