郭睿 任一峰 衛(wèi)芃毅 欒天

摘? 要： 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)極易受到外部環(huán)境的影響，并且抗干擾能力較差。環(huán)境改變、電網(wǎng)不穩(wěn)定或參數(shù)難以確定等原因都會(huì)對(duì)電能輸出效率和其工作效率造成很大影響。針對(duì)光伏系統(tǒng)的這些特性，提出一種線性自抗擾控制器對(duì)電流進(jìn)行控制。采用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，從而快速消除擾動(dòng)，達(dá)到平和狀態(tài)，使系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)有著很好的適應(yīng)能力。為了驗(yàn)證該算法的有效性，通過Matlab/Simulink仿真表明，加入自抗擾控制器能夠明顯提高光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的跟蹤速度和控制性能，降低了功率震蕩，在外界環(huán)境突變的情況下，也能夠達(dá)到很好的效果。

關(guān)鍵詞： 線性自抗擾控制器; MPPT控制器; 光伏發(fā)電; 擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器; 二階自抗擾系統(tǒng); 功率震蕩

中圖分類號(hào)： TN876?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）03?0109?03

MPPT controller based on linear active disturbance rejection control

GUO Rui， REN Yifeng， WEI Pengyi， LUAN Tian

（School of Electrical and Control Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： The photovoltaic grid?connected power generation system is vulnerable to the impact of external environment， resulting poor anti?interference ability. Environmental changes， instable grids or uncertain parameters will have a great impact on the power output efficiency and the work efficiency. In view of the above characteristics of photovoltaic system， a linear active disturbance rejection controller （LADRC） is proposed to control the current. An extended state observer is used to make compensation to the disturbance， thus to quickly eliminate the disturbance and reach a peaceful state， which make the system well adaptable to the disturbance. The matlab/simulink simulation experiments are performed to verify the effectiveness of the algorithm. The results show that adding ADRC can significantly improve the tracking speed and control performance of photovoltaic grid?connected system， reduce power oscillation， and achieve good effect even in the case that the external environment changes unexpectedly.

Keywords： linear active disturbance rejection controller; MPPT controller; photovoltaic power generation; extended state observer; second order ADRC system; power

oscillation

0? 引? 言

光伏發(fā)電作為一種清潔能源，受到了廣泛的關(guān)注。近年來光伏發(fā)電有著長足的進(jìn)步，但仍有進(jìn)步的空間[1?2]。在發(fā)電過程中，由于烏云、光伏組件異物、溫度等，會(huì)使得光伏發(fā)電產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)電效率降低。傳統(tǒng)的MPPT控制算法如爬坡法、擾動(dòng)觀察法[3]都能在平穩(wěn)的條件下使系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)附近，但是卻無法有效解決外界擾動(dòng)帶來的影響[4]。

使用太陽能進(jìn)行光伏發(fā)電是社會(huì)實(shí)現(xiàn)零污染發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)所在，其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展對(duì)于推動(dòng)光伏行業(yè)的發(fā)展具有很強(qiáng)的作用與重要意義。本文以光伏發(fā)電中的核心技術(shù)即并網(wǎng)控制為出發(fā)點(diǎn)，由于存在系統(tǒng)穩(wěn)定性不好，容易受到外部環(huán)境干擾的特性，把自抗擾控制廣泛應(yīng)用于并網(wǎng)控制中，并對(duì)其抗擾性能展開了深入研究。

如今有眾多的智能控制算法。其中，自抗擾控制是一種新型的控制方法，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，響應(yīng)速度快，超調(diào)小和魯棒性強(qiáng)[5]。核心思想是不依賴于控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，只需知道控制對(duì)象的階次即可設(shè)計(jì)控制器。ADRC是一種非線性控制理論，主要由安排過渡過程、非線性誤差反饋控制率和擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器所組成[6]。擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器可以實(shí)時(shí)估計(jì)系統(tǒng)的不確定性及外擾，然后用前饋補(bǔ)償?shù)姆绞较蓴_。將自抗擾應(yīng)用到MPPT中，光伏發(fā)電系統(tǒng)的光能利用率和抗干擾能力得到了顯著的提高[7]。

1? 光伏電池特性

光伏電池的理想等效電路如圖1所示[8]。

其輸出特性為：

式中：[I]為光伏組件輸出電流;[V]為光伏組件輸出電壓;[Iph]為光生電流;[Rs]為等效串聯(lián)電阻;[Rsh]為等效并聯(lián)電阻;[I0]為反向飽和電流;[q]為電子電荷量（1.6×10-19 C/m2）;[n]為二極管特性因子;[k]為玻爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23 J/K）;[T]為光伏組件熱力學(xué)溫度[9]（[T=273.15+t]，[t]為攝氏度）。

使用Matlab/Simulink對(duì)光伏電池理想等效電路建模，得到[P?V]，[I?V]仿真曲線，如圖2a），圖2b）所示。

由圖2中可以看出MPPT特性為：輸出功率存在唯一最大值點(diǎn)，隨著電壓的增加先增大后減小，整個(gè)輸出呈現(xiàn)很強(qiáng)的非線性[9?10]。

2? 自抗擾與MPPT控制器設(shè)計(jì)

2.1? 光伏系統(tǒng)建模

選用BOOST變換器為系統(tǒng)拓?fù)潆娐穂11]，光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

一般的MPPT控制方法如電導(dǎo)增量法，其實(shí)是使用[ΔIΔV]替代[IV]的過程，這樣不可避免地?fù)p失一部分精度。

對(duì)于某一個(gè)系統(tǒng)[y=f（x）]，通常使用式（3）中括號(hào)里的第二項(xiàng)為時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，第一項(xiàng)表示直接傳遞輸入信號(hào)到輸出的過程[12]。

那么有：

式中：[v（t）]，[y（t）]分別是微分器的輸入和輸出。當(dāng)輸入信號(hào)含有隨機(jī)噪聲時(shí)：

隨著[τ]的減小，[y（t）]受到的干擾會(huì)越來越嚴(yán)重，太大又無法獲取微分信號(hào);綜上，可以采用兩個(gè)跟蹤微分器分別得到電流和電壓對(duì)時(shí)間的微分信號(hào)[13?14]。

2.2? MPPT控制器

系統(tǒng)輸入電壓[Ud]與給定[Uref]相比較，得到的誤差作為線性自抗擾的輸入進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，得到電流的指定幅值[Iref]，與實(shí)際輸出電流[is]相比較，做PI控制，與檢測(cè)到的[Us]相加，得到SPWM的控制信號(hào)，進(jìn)而控制逆變器IGBT的通斷，其控制框圖如圖4所示。

線性自抗擾LADRC由擾動(dòng)補(bǔ)償、線性狀態(tài)觀測(cè)器、線性誤差反饋率構(gòu)成，由上述控制策略設(shè)計(jì)的二階自抗擾控制系統(tǒng)如圖5所示。

PD控制器：

擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器LESO如下：

擾動(dòng)補(bǔ)償：

式中：[Z1]為輸出的估計(jì);[Z2]為輸出微分的估計(jì);[Z3]為系統(tǒng)擾動(dòng)的估計(jì);[Kp]，[Kd]為PD控制器參數(shù);[b0]為擾動(dòng)因子。

3? 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由得到的基于自抗擾的MPPT算法結(jié)構(gòu)，利用Matlab/Simulink平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，選取MPPT控制器參數(shù)為：[w0=]700，[wc=]300，[b=10]。在溫度為[t=]25 ℃，光照強(qiáng)度[S=]1 000 W/m2的環(huán)境下仿真。結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，若只使用電導(dǎo)增量法，系統(tǒng)達(dá)到最大功率1 220 W所需時(shí)間多于自抗擾，可見，本文所設(shè)計(jì)的MPPT控制器能夠減少跟蹤時(shí)間，減少功率震蕩。

當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生突變時(shí)，改變光照條件在0.5 s時(shí)從[S=]1 000 W/m2突變至[S=]800 W/m2，光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖7所示。

自抗擾的存在能夠很好地改善當(dāng)外界環(huán)境進(jìn)行突變時(shí)帶來的影響，可以看出，0.5 s時(shí)改變外界環(huán)境，系統(tǒng)很快達(dá)到新的穩(wěn)定，減少了功率震蕩。

4? 結(jié)? 語

本文設(shè)計(jì)的基于線性自抗擾的MPPT控制器，與傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法相比較，能夠很好地抑制功率震蕩，提高了響應(yīng)速度，在外界環(huán)境突變時(shí)，能夠更快地使系統(tǒng)回到穩(wěn)定，具有很好的魯棒性。

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