MPPT控制器的線性自抗擾控制

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對電能輸出效率和其工作效率造成很大影響。針對光伏系統(tǒng)的這些特性，提出一種線性自抗擾控制器對電流進行控制。采用擴張狀態(tài)觀測器對擾動進行補償，從而快速消除擾動，達到平和狀態(tài)，使系統(tǒng)對擾動有著很好的適應(yīng)能力。為了驗證該算法的有效性，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; 擴張狀態(tài)觀測器; 二階自抗擾系統(tǒng); 功率震蕩

中圖分類號： TN876?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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)電有著長足的進步，但仍有進步的空間[1?2]。在發(fā)電過程中，由于烏云、光伏組件異物、溫度等，會使得光伏發(fā)電產(chǎn)生波動，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)工作在最大功率點附近，但是卻無法有效解決外界擾動帶來的影響[4]。

使用太陽能進行光伏發(fā)電是社會實現(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)展對于推動光伏行業(yè)的發(fā)展具有很強的作用與重要意義。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，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)點是結(jié)構(gòu)簡單且易于實現(xiàn)，響應(yīng)速度快，超調(diào)小和魯棒性強[5]。核心思想是不依賴于控制對象的數(shù)學(xué)模型，只需知道控制對象的階次即可設(shè)計控制器。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張狀態(tài)觀測器所組成[6]。擴張狀態(tài)觀測器可以實時估計系統(tǒng)的不確定性及外擾，然后用前饋補償?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，隨著電壓的增加先增大后減小，整個輸出呈現(xiàn)很強的非線性[9?10]。

2? 自抗擾與MPPT控制器設(shè)計

2.1? 光伏系統(tǒng)建模

選用BOOST變換器為系統(tǒng)拓撲電路[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，其實是使用[ΔIΔV]替代[IV]的過程，這樣不可避免地損失一部分精度。

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

那么有：

式中：[v（t）]，[y（t）]分別是微分器的輸入和輸出。當輸入信號含有隨機噪聲時：

隨著[τ]的減小，[y（t）]受到的干擾會越來越嚴重，太大又無法獲取微分信號;綜上，可以采用兩個跟蹤微分器分別得到電流和電壓對時間的微分信號[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行控制調(diào)節(jié)，得到電流的指定幅值[Iref]，與實際輸出電流[is]相比較，做PI控制，與檢測到的[Us]相加，得到SPWM的控制信號，進而控制逆變器IGBT的通斷，其控制框圖如圖4所示。

線性自抗擾LADRC由擾動補償、線性狀態(tài)觀測器、線性誤差反饋率構(gòu)成，由上述控制策略設(shè)計的二階自抗擾控制系統(tǒng)如圖5所示。

PD控制器：

擴張狀態(tài)觀測器LESO如下：

擾動補償：

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

3? 仿真實驗結(jié)果

由得到的基于自抗擾的MPPT算法結(jié)構(gòu)，利用Matlab/Simulink平臺對系統(tǒng)進行仿真，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)達到最大功率1 220 W所需時間多于自抗擾，可見，本文所設(shè)計的MPPT控制器能夠減少跟蹤時間，減少功率震蕩。

當外界環(huán)境發(fā)生突變時，改變光照條件在0.5 s時從[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外界環(huán)境進行突變時帶來的影響，可以看出，0.5 s時改變外界環(huán)境，系統(tǒng)很快達到新的穩(wěn)定，減少了功率震蕩。

4? 結(jié)? 語

本文設(shè)計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，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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