自抗扰控制技术在光伏并网系统中的应用

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㊀㊀文章编号:1009-2552(2018)10-0006-05㊀㊀DOI:10 13274/j cnki hdzj 2018 10 002
自抗扰控制技术在光伏并网系统中的应用
刘智慧ꎬ李俊桥ꎬ刘正宇ꎬ吕昊元
(哈尔滨理工大学荣成学院ꎬ山东荣成264300)
摘㊀要:光伏并网系统是一个非线性㊁多干扰的复杂系统ꎬ光伏发电的质量和效率受电网波动㊁环境干扰㊁模型不确定性等因素的影响ꎮ文中在分析光伏并网系统工作原理和特性的基础上ꎬ将自抗扰控制技术应用到两级式光伏并网系统的控制中ꎮ控制系统采用双环控制策略ꎬ采用自抗扰控制技术设计了直流母线电压外环ꎬ用以保证直流母线侧电压的稳定ꎬ内环电流环采用PID控制器控制技术ꎬ用于实现逆变ꎮ为了验证所设计的控制算法的有效性ꎬ文中基于MATLAB/Simulink给出了仿真验证ꎬ仿真结果表明所设计的控制器能有效提高光伏并网系统的控制性能ꎮ关键词:光伏ꎻ并网系统ꎻ抗干扰ꎻ自抗扰控制中图分类号:TP273㊀㊀文献标识码:A
Applicationofautodisturbancerejectioncontrolinphotovoltaic
gridconnectedsystem
LIUZhi ̄huiꎬLiJun ̄qiaoꎬLIUZheng ̄yuꎬLVHao ̄yuan
(RongchengCampusofHarbinUniversityofScienceandTechnologyꎬRongcheng264300ꎬShandongProvinceꎬChina)
Abstract:Photovoltaicgridconnectedsystemisanonlinearandmultidisturbancecomplexsystemꎬthequalityandefficiencyofphotovoltaicpowergenerationareaffectedbypowergridfluctuationsꎬenvironmentalinterferenceꎬmodeluncertaintyandotherfactors.Basedontheanalysisoftheworking
principleandcharacteristicsofthephotovoltaicgridconnectedsystemꎬtheactivedisturbancerejectioncontrol(ADRC)techniqueisappliedtothecontrolofthedoublestagephotovoltaicgridconnectedsystem.ThecontrolsystemconsistsofdoubleloopcontrolstrategyꎬtoensurethestabilityoftheDCbussidevoltageꎬtheactivedisturbancerejectioncontrollerisdesignedinthecontroloftheouterDCbusvoltageloop.TheinnerloopcurrentloopiscontrolledbyPIDcontrollerꎬwhichisusedtorealizetheinverter.ToverifytheeffectivenessoftheproposedstrategyꎬthesimulationispresentedinthispaperꎬbasedonMATLAB/Simulink.Thesimulationresultsshowtheproposedcontrolstrategycanimprovetheperformanceofphotovoltaicgridconnectedsystemeffectively.
Keywords:photovoltaicꎻgridconnectedsystemꎻanti ̄interferenceꎻactivedisturbancerejectioncontrol
收稿日期:2018-03-21
基金项目:大学生创新创业训练计划项目基金(201710214134)
作者简介:刘智慧(1988-)ꎬ女ꎬ硕士ꎬ讲师ꎬ研究方向为交流绕组
的设计和电机电磁场的数值计算ꎮ
0㊀引言
当今世界ꎬ能源成为制约经济社会发展的关键
因素ꎮ随着能源危机㊁环境污染等问题的日益突出ꎬ风能㊁太阳能㊁水能等绿色环保能源受到越来越广泛的重视ꎮ其中ꎬ太阳能作为一种可再生的绿色环保能源已经被广泛地应用到各个领域ꎮ太阳能以光伏发电装置为基础ꎬ具有安装简单㊁维护费用低㊁寿命长㊁无污染㊁无噪声㊁不受地域限制等优点[1]ꎮ目前ꎬ光伏发电已被世界各国广泛应用ꎬ显示出了广泛的发展空间和应用前景[2]ꎮ
然而ꎬ光伏并网系统是一个非线性㊁多干扰的复
杂系统ꎬ光伏发电的质量和效率受环境因素㊁电网波

动㊁干扰等影响较大ꎮ随着光伏产业的不断发展ꎬ人
们加大了光伏并网技术的研究力度ꎬ为了提高光伏
并网系统的电能转换的质量和效率ꎬ越来越多的控
制算法被应用到光伏并网系统的控制中[3-4]ꎮ针对光伏并网系统的研究主要致力于光能最大
功率点跟踪(MaximumPowerPointTrackingꎬMPPT)
技术和光伏逆变技术的研究ꎮ文献[5-6]针对单
级式光伏并网逆变器的非线性控制方法进行了研
究ꎮ文中将自抗扰控制技术与变步长扰动功率跟踪
算法相结合ꎬ提出一种基于有功电流和电压环输入
误差信号的变步长扰动最大功率跟踪算法ꎬ有效提
升了逆变器的整机控制性能ꎮ文献[7]将模糊逻辑
控制与预测控制应用到两级式光伏并网系统的控制
中ꎬ提出一种新颖的光伏并网系统模糊预测功率控
制算法ꎮ其中ꎬ模糊逻辑控制算法用于实现直流侧
光伏阵列的最大功率跟踪ꎬ模型预测算法用于实现
并网侧负载功率的预测及补偿ꎮ仿真结果验证了所
提控制算法的有效性ꎮ文献[8]针对三相光伏并网
系统的无功功率补偿控制算法进行研究ꎮ在d-q
解耦控制下ꎬ分别对电压环和电流环设计PID控制
器ꎬ提出一种基于PID控制技术的三相光伏并网系
统无功功率补偿控制算法ꎮ文章最后给出了仿真分
析ꎬ仿真结果验证表明所设计的PID控制器能独立
实现并网侧的功率特别是无功功率的补偿控制ꎬ一
定程度上提高了光伏系统的控制性能ꎮ文献[9]研
究了两级式逆变系统输出功率控制策略ꎬ设计了基
于变步长扰动观测技术的最大功率跟踪策略ꎬ研究
了基于电压㊁电流双闭环控制的逆变器的有功控制
策略ꎬ其中电压外环采用PI控制ꎬ电流内环采用准
比例谐振控制ꎮ文中最后基于saber软件给出了仿
真实验ꎬ仿真结果验证了该控制算法的有效性ꎮ
在现有的智能控制算法中ꎬ自抗扰控制作为一
种新型的非线性控制方法ꎬ具有结构简单ꎬ易实现ꎬ
不依赖于控制对象数学模型ꎬ对非线性㊁不确定性ꎬ
大干扰具有很强适应性和鲁棒性等优点[10-12]ꎮ自抗扰控制器不依赖控制对象的准确模型ꎬ只需要知道对象的阶次即可进行控制器的设计ꎬ扩张状态观测器可以对系统的不确定性以及外部扰动进行实时估计ꎬ并通过前馈补偿的方式消除干扰的影响ꎮ目前自抗扰控制器已被广泛应用于各个领域[13-16]ꎮ本文在分析两级式光伏并网系统工作原理和特性的基础上ꎬ重点研究了两级式光伏并网系统的控制策略ꎮ针对两级式光伏并网系统的非线性㊁不确定性㊁多干扰㊁模型难以建立等问题ꎬ将自抗扰控制技术应用到控制系统的设计中ꎬ以提高控制系统的稳定性ꎬ提高系统输出电能的质量和效率ꎮ本文设计的控制系统采用双环控制策略ꎬ其中外环为电压环ꎬ内环为电流环ꎮ电压环采用自抗扰控制技术用于实现直流侧母线电压的稳定输出ꎬ电流环采用传统的PID控制技术用于实现逆变ꎮ本文主要进行了以下几个方面进行了研究:第二部分建立两级式光伏并网系统模型ꎬ第三部分建立了基于自抗扰控制器的两级式光伏并网系统ꎬ第四部分给出了仿真结果并进行了分析ꎬ文章最后给出了结论ꎮ
1㊀两级式光伏并网发电系统模型的建立
光伏并网系统从拓扑结构来划分主要分为单级式㊁两级式和多级式ꎮ本文主要以两级式并网系统为例展开研究ꎮ常见的两级式光伏并网逆变器结构图如图1所示

图1㊀两级式光伏并网逆变器结构图
如图1所示ꎬ两级光伏逆变器系统主要由MPPT单元ꎬDC-DC变换单元ꎬ逆变单元和隔离滤波单元组成ꎮ其中ꎬMPPT单元主要用于实现光伏阵列的最大功率跟踪ꎬDC-DC变换单元主要用于实现光伏阵列输出电压的升压及稳压作用ꎬ逆变单元主要实现直流电到交流电的转变ꎬ隔离滤波单元主要用于隔离滤波ꎮ
1.1㊀电压环模型的建立
当光伏阵列输出功率与逆变器输出功率存在偏差时ꎬ势必会在直流母线侧产生一个电压ꎬ这个电压不能过大也不能过小ꎬ而且必须在一定范围内保持稳定ꎬ直流母线侧电压的大小在一定程度上反映了光伏并网系统输入输出功率的平衡状态ꎮ因此针对直流母线电压的控制对于保证整个系统的稳定性至关重要ꎮ电压环的控制主要是用于实现直流母线侧电压的稳定输出ꎮ考虑到自抗扰控制器的优越性能ꎬ本文将自抗扰控制技术引用到电压环的控制中ꎮ电压环的动态特性可表示为如下函数[17]:Cdudcdt=iP(1)其中ꎬip为光伏阵列输出电流ꎬ将式(1)进行拉普拉斯变换可得[11]: 7
Udc(s)=
IP(s)Cs
(2)1.2㊀电流环模型的建立
电流环的控制目标主要是用于实现并网电流的
稳定输出ꎬ本设计中电流环采用传统的PID控制策略ꎮPID控制下的电流环的控制原理图如图2所示

图2㊀电流环控制原理图
其中ꎬiref为控制参考输入电流ꎬG1(s)为逆变器等效传递函数ꎬG2(s)为控制对象ꎮ
逆变器具有高增益㊁小惯性的特性ꎬ其传递函数可表示如下[18]:
G1(s)=KPWM
Tis+1
(3)
其中ꎬTi为逆变器开关周期ꎮ由于逆变器开关频率远远高于电网频率ꎬ因此Tis+1ʈ1ꎬ即逆变环节可近似等效为一个比例增益环节ꎬ即:
G1(s)ʈKPWM(4)设逆变器输出电流为iLꎬ则有[13]:Ldi
Ldt
=udc-iLR-us(5)其中ꎬR为线路等效总电阻ꎬ将式(5)进行拉普拉斯变换可得:
IL(s)=Udc(s)-US(s)
Ls+R
(6)
于是控制对象的传递函数可表示为:
G2(s)=1
Ls+R
(7)
2㊀控制策略
2.1㊀二阶线性自抗扰控制器的设计
设有如下二阶系统[19-20]:
y㊆=f(tꎬyꎬy )+b u(t)+ω(t)
(8)
其中ꎬf(tꎬyꎬy
ꎬω)为未知函数ꎬω(t)为未知总扰
动ꎬb为控制增益ꎬu(t)为控制输入ꎮ设y=xꎬx
=x2ꎬx2=a(t)=f(xꎬt)+ω(t)ꎬ则式(8)可进一步表示为:
x 1=x2x
2=x3+b0ux3
=hy=x1
ìîíïïïïïï(9)
其中ꎬbʈb0ꎬh=f
ꎮ于是可构建如下扩张状态观测器:
z 1=z2-β1(z1-y)z 2=z3-β2(z1-y)+b0uz 3=-β3(z1-y)
u=(-z3+u0)/b0
ìîíïïïïïï(10)
其中ꎬz1为x1的估计值ꎬz2为x2的估计值ꎬz3为f(tꎬ
yꎬy
ꎬω)的估计值ꎮβ1ꎬβ2ꎬβ3为系统可调参数ꎮ其中ꎬβ1=3ω0ꎬβ2=3ω02ꎬβ3=ω03ꎬω0为观测器带宽ꎮ
于是ꎬ二阶线性自抗扰控制器可设计为:
u0(t)=kp(v(t)-z1)-kdz2u=(-z3+u0)/b0
{
(11)
其中ꎬkp=ωc2ꎬkd=2ωcꎬωc为控制器带宽二阶二阶线性自抗扰控制器结构原理图如图3所示

图3㊀二阶线性自抗扰控制器结构图
由图3可以发现:线性自抗扰控制器(LADRC)结构更简单ꎬ可调参数更少ꎬ更易实现ꎮ
2.2㊀线性自抗扰控制器在光伏并网系统中的应用本文研究的光伏并网系统采用双环控制策略ꎬ
即电压采用自抗扰控制器ꎬ保证直流母线电压的稳定输出ꎬ电流环采用传统的PID控制算法ꎮ在电压
环LADRC设计中ꎬudc作为自抗扰控制器的输入信号ꎬid为控制输入ꎬ即内环电流的参考输入irefꎬudc和id可以通过测量得到ꎬ于是LADRC可设计为:
z 1=z2-β1(z1-udc)z 2=z3-β2(z1-udc)+b0idz 3=-β3(z1-udc)
ìîíïïïï(12)
线性控制律设计为:
id0=kp(uref-z1)-kdz2u=(-z3+id0)/b0
{
(13)
具体控制原理:首先将光伏阵列最大功率输出

时的对应的直流母线参考电压uref与实际直流母线电压udc进行对比ꎬ其误差信号经自抗扰控制处理后得到内环电流环的参考输入电流irefꎬis与实际输出电流比较后ꎬ误差信号经PID控制器处理后与电网
实际电压叠加ꎬ叠加信号经PWM产生调制信号ꎬ从而实现对逆变器的控制ꎮ基于自抗扰的两级式光伏并网系统控制原理图如图4所示

图4㊀基于自抗扰的两级式光伏并网系统控制原理图
3㊀系统仿真及分析
为了验证所设计的自抗扰控制器的有效性ꎬ本
文基于MATLAB/Simulink建立了100kW的光伏系统数学模型ꎬ并给出了仿真验证ꎮ主要的设置参数为:光伏阵列的输出功率为100kWꎬ开路电压为
682Vꎬ最大功率电压516Vꎬ最大功率电流为193 8Aꎬ短路电流为221Aꎬ光伏阵列输出功率曲线如图5所示

图5㊀光伏阵列输出功率曲线
㊀㊀PID和LADRC两种控制策略下系统直流侧母线电压曲线图ꎬ光伏阵列输出电流曲线图ꎬ并网功率
因数曲线图和并网电流曲线图如图6-9所示ꎮ
由图6直流母线电压曲线图可以发现:采用自抗扰控制策略的并网系统直流母线电压更平稳㊁波动更小ꎮ由图7所示的光伏阵列输出电流曲线图可
以看出自抗扰控制下光伏阵列输出电流更加平稳ꎮ图8给出的功率因数曲线图表明:相对于传统PID控制算法ꎬ采用自抗扰控制策略的光伏并网系统功率因数更高ꎬ对电网的干扰更小ꎮ图9给出了PID控制和自抗扰控制下系统输出电流曲线图:
由图可
图6㊀
直流侧母线电压曲线图
图7㊀光伏阵列输出电流曲线图
以发现采用自抗扰控制并网系统并网电流超调更小ꎬ更平稳ꎬ对电网冲击更小ꎬ说明自抗扰控制算法抗干扰能力更强ꎮ
以上仿真结果表明ꎬ与传统PID控制算法相比ꎬ
ADRC控制算法响应速度更快ꎬ控制精度更高ꎬ性能更稳定ꎮ

图8㊀
并网功率因数
图9㊀PID和ADRC控制下的A相并网电流
4㊀结束语
自抗扰控制器针对系统的非线性㊁不确定性ꎬ大
干扰具有很强的鲁棒性和适应性ꎮ本文在分析两级式光伏并网系统原理和特性的基础上ꎬ建立了两级式光伏并网系统数学模型ꎬ并将自抗扰控制技术引入两级式光伏并网系统的控制中ꎬ针对电压环进行了自抗扰控制器的设计ꎮ将环境变化㊁电网波动㊁外界干扰等不确定因素看作系统的不确定性ꎬ并通过渐进结构优化法(EvolutionaryStructuralOptimiza ̄tionꎬESO)对不确定性动态补偿ꎮ最后本文给出了仿真分析ꎬ仿真结果验证了所设计的自抗扰控制器的有效性ꎮ参考文献:
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责任编辑:丁玥
01。

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