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(xiàn)并網(wǎng)電壓跟蹤及MPPT。最后在仿真基礎(chǔ)上，進行了樣機實現(xiàn)設(shè)計。

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。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、無差拍控制和重復(fù)控制等。電網(wǎng)跟蹤控制設(shè)計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行電流內(nèi)環(huán)設(shè)計。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為估計量，u為控制量，y為系統(tǒng)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(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，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(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。通過ESO估計出系統(tǒng)各個狀態(tài)變量，同時估計出系統(tǒng)的內(nèi)外擾動并給予相應(yīng)補償，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)反饋線性化。TD輸出與ESO估計值取誤差得到系統(tǒng)狀態(tài)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(jù)系統(tǒng)的時間尺度來劃分對象的，所以在控制器設(shè)計時不用考慮系統(tǒng)的線性或非線性、時變或時不變，從而簡化了控制器設(shè)計。

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)計者的工程經(jīng)驗，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進行電流跟蹤控制，用ESO對包括負(fù)載在內(nèi)的未知擾動進行觀測。通過ESO對負(fù)載變化及時、準(zhǔn)確地估計和補償，能有效抑制各種擾動帶來的影響。

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進行參數(shù)調(diào)整，得到與參考指令相比較的信號，進而送入逆變器進行控制。

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。

5 仿真與實驗驗證

采用仿真軟件Matlab／Simulink對上述控制策略進行系統(tǒng)仿真，得到ADRC的整定參數(shù)，設(shè)計硬件電路進行實驗，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)的擾動并對其進行抑制，穩(wěn)態(tài)下，其性能明顯優(yōu)于普通的PID控制器。在啟動階段，ADRC能快速進入穩(wěn)定狀態(tài)且超調(diào)小。在實際并網(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)的實現(xiàn)。

6 結(jié)論

應(yīng)用ADRC實現(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)外擾動進行觀測和補償，使得系統(tǒng)在參數(shù)變化和負(fù)載擾動時，仍能得到期望性能，具有較強的魯棒性。從系統(tǒng)仿真和實驗結(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。