基于離散控制的光伏并網系統自抗擾控制器設計

牛靈慧，何國鋒，武 毅

(1.中國電建集團 河南省電力勘測設計院有限公司，河南 鄭州 450007；2.河南城建學院 電氣與控制工程學院， 河南 平頂山 467036；3.鄭州大學 物理學院，河南 鄭州 450001)

光伏發電是利用新能源的有效形式，其有利于降低化石能源消耗的速度，改善地球環境[1-2]。在光伏并網發電系統中，電能經過LCL濾波電路濾除高次諧波，實際的光伏發電系統中存在很多不確定干擾[3]，這就會導致發電系統的輸出電能質量變差。文獻[4]詳細分析和研究逆變器的并網控制，確定了在獨立工作模式下的瞬時電壓控制策略和在并網工作模式下的瞬時電流控制策略，并對系統使用Saber軟件進行分析；文獻[5]研究了并網型光伏系統的組成及其控制方式，建立相應的數學模型，分析了幾種常見的控制策略及其控制效果；文獻[6]研究了離散的自抗擾控制算法的基礎理論，并將其應用在測試轉臺上；文獻[7]研究了線性化的自抗擾控制技術，在此基礎上采用雙閉環控制并完成了對并網控制的仿真驗證。

針對光伏并網系統運行過程中存在的擾動問題，雖然有學者對其進行大量的研究，但依然存在不足之處[8-9]。本文提出了基于離散化的線性自抗擾控制器設計方法，并將其應用在非隔離型光伏發電系統中。

1 光伏并網發電系統擾動分析

在并網系統中，逆變器的應用主要有以下三種形式的拓撲結構：低頻環節并網逆變器、高頻環節并網逆變技術、非隔離型并網逆變技術。論文主要針對非隔離型并網逆變技術進行研究。圖1為非隔離型并網逆變結構圖。由PV陣列提供電能，經過無變壓器隔離的DC-DC變換器將低電壓轉化成高電壓輸出，然后通過逆變電路變換成符合需要的交流電，該交流電通過LCL濾波電路，濾除高次諧波，將電能傳送至負載側。

圖1 非隔離型并網光伏發電系統框圖

非隔離并網光伏發電系統結構圖如圖2所示。

圖2 非隔離型并網光伏發電系統結構圖

如圖2所示，PV陣列為光伏陣列，電感L，全控型器件Q1與二極管D共同構成Boost升壓斬波電路，逆變器側電感L1、濾波電容C與網側電感L2共同構成濾波器，Cd為一個較大的電容。直流斬波電路的輸出電壓可以看作電壓型逆變器的直流側電壓，開關管V1、V2、V3、V4為電力電子全控型器件IGBT，D1、D2、D3、D4為續流二極管，Ug為電網電壓。

在并網逆變器工作的過程中，會伴隨有各種各樣的擾動，既來源于系統內部的擾動，也有來源于系統外部的擾動，例如負載突變、非線性負載等均可看作外部擾動，濾波器老化、傳感器老化等引起的參數波動均可看作系統的內部擾動。本文重點研究網側電感參數突變時對系統的影響。

2 離散型自抗擾控制原理

自抗擾控制策略是由韓京清教授提出并得以發展的一種非線性控制算法。該控制器可以分為跟蹤微分器(TD)、非線性狀態誤差反饋控制律(NLSEF)、擴張狀態觀測器(ESO)三個模塊。其結構圖如圖3所示。

圖3 ADRC結構圖

在工程控制中，由于設備的限制，需要使用數據控制器實現，因此必須采用離散算法。假設在當前時刻為k時刻，則前一時刻就為(k-1)時刻，根據當前時刻與前一時刻的遞推關系變化，能夠進一步知道每個變量的初始狀態，然后就可以對ADRC進行離散控制與分析。具體操作過程如下：

在k時刻，進行離散化操作，步驟如下：

(1)跟蹤微分器(TD)：根據前一時刻的跟蹤微分狀態v1(k-1)，v2(k-1)和參考輸入θ1(k-1)完成過渡過程，并提取微分信號。

(1)

式中，r表示為跟蹤速度因子，其作用是決定系統跟蹤的速度，與積分步長h均可作為可調參數。其中r在調節過程中，隨著r的增大系統快速的表現越來越不明顯，此時就會出現超調量，進而對系統的穩定性造成一定影響。

(2)狀態誤差的非線性反饋律(NLSEF)：根據e1(k),e2(k)來控制當前輸入值u0(k)。

(2)

這里的u0(k)使用Z3(k)來補償，最終得到其控制量：

(3)

(4)

式(2)、式(3)，需要改變的參數具體有β01，β02，β03以及非線性因子α1，α2和δ1。其中β01，β02，β03用來控制閉環系統的動態性能，當系統輸出振蕩較大時，可以通過適當調小β03來改善系統的動態性能。另外，α值決定了非線性的形狀，適當改變其參數可以更好地控制波形。

綜上所述，ADRC中主要調節的參數可以分為三個部分，TD部分中的r、h，其中r影響系統的跟蹤速度，h影響系統的穩定性；NLSEF部分中的β1、β2，這兩個參數均影響系統的跟蹤速度和穩態精度；ESO部分中的β01、β02、β03，這三個參數影響擴張觀測器的觀測速度和精度?？刂破鲄档恼{節是離線的，當設計好控制器之后，控制器的各個參數不再改變，參數調節的重要依據是做比較，即將自抗擾控制器的逆變器輸出電能質量與傳統PI控制下的逆變器輸出電能質量做比較。如果在同等條件下自抗擾控制優于傳統的PI控制策略，那么還可將本次的仿真結果與上次結果對比，再次進行參數調整，以達到最優的控制效果。

3 ADRC控制的非隔離并網逆變器

本文的研究重點是將離散型自抗擾控制器應用于非隔離光伏并網逆變器。主要目的是在ADRC控制下改善非隔離型光伏并網系統的輸出電能質量，提高其抗干擾能力，使入網電流能夠快速跟蹤參考值。圖4為ADRC控制的并網工作模式下非隔離光伏發電系統控制電路圖。

圖4 非隔離并網光伏發電系統控制電路圖

圖4中，Ud代表由Boost升壓斬波電路輸出的高電壓，在該電壓的右側并聯一個大電容Cd，該部分相當于電壓源，構成電壓型逆變器的直流母線電壓。將直流母線上的電能作為全橋逆變器的輸入來源，經過單相全橋逆變器變換成符合要求的交流電能，再經過LCL濾波電路，改善電能質量，將電能輸送給電網。自抗擾控制器的輸入值為參考電流值，要求入網電流能夠跟隨參考電流值，在自抗擾控制器中，使非線性誤差環節的輸出作為PWM的調制波，采用PWM控制技術來決定逆變器中V1、V2、V3、V4的導通與關斷。

4 仿真結果及分析

為驗證本文所提的離散型自抗擾控制策略在單相并網逆變器中應用的有效性，在Matlab/Simulink中搭建并網逆變器仿真模型，仿真參數如表1所示。

表1 隔離型并網逆變器仿真參數

圖5是基于離散自抗擾控制的非隔離并網光伏發電仿真結果。

圖5 基于離散自抗擾控制的非隔離并網光伏發電仿真結果

圖6 基于離散型自抗擾控制的并網逆變器輸出電流的THD

從圖5可以看出：并網電流ig波形平滑，能夠實時跟蹤電網電壓的相位，穩態效果較好。圖6是基于離散型自抗擾控制的并網逆變器輸出電流的THD，入網電流的總諧波含量只有0.29%，電網要求并網電能的總諧波含量不能超過5%，本設計滿足要求，而且最高次諧波的含量也沒有超過0.15%。

圖7是系統存在擾動時PI控制的并網逆變器輸出電流波形。當t=0.105 s時，給系統加擾動，通過改變網側電感的變化來等效擾動。

圖7 系統存在擾動時PI控制的并網逆變器輸出電流波形

由圖7可以看出：系統受到前輸出的電流是標準的正弦波，而受到擾動后系統失去穩定性，入網電流的波形開始發散，表明傳統的PI控制策略對系統的擾動抑制能力有限。圖8是系統存在擾動時離散型自抗擾控制的并網逆變器輸出電流波形。同樣，在t=0.105 s時，給系統加相同的擾動，從圖8中可以看出，在擾動作用的位置電流波形開始發生變形，但很快就會恢復正常值，調整時間沒有超過半個周期。對比圖7和圖8，本文的離散型自抗擾控制策略對系統的擾動有很強的抑制能力，能夠使系統不僅有良好的穩態特點，而且有較好的動態響應性能。采用離散型自抗擾控制策略可以降低入網電流的諧波含量，使電能質量達到入網標準。

5 結論

針對非隔離型光伏并網發電系統中存在的擾動問題，采用離散型自抗擾控制策略來抑制逆變器運行過程中擾動的影響，并在MATLAB/Simulink中搭建相應的仿真模型，通過仿真將控制策略與傳統的PI控制做對比，仿真結果表明：本文所提的控制策略能夠提升系統的穩態性能和動態性能，有效抑制系統運行過程中的不確定性擾動，提高入網電能質量。