MPPT控制器的线性自抗扰控制

郭睿 任一峰 卫芃毅 栾天

摘  要： 光伏并网发电系统极易受到外部环境的影响，并且抗干扰能力较差。环境改变、电网不稳定或参数难以确定等原因都会对电能输出效率和其工作效率造成很大影响。针对光伏系统的这些特性，提出一种线性自抗扰控制器对电流进行控制。采用扩张状态观测器对扰动进行补偿，从而快速消除扰动，达到平和状态，使系统对扰动有着很好的适应能力。为了验证该算法的有效性，通过Matlab/Simulink仿真表明，加入自抗扰控制器能够明显提高光伏并网系统的跟踪速度和控制性能，降低了功率震荡，在外界环境突变的情况下，也能够达到很好的效果。

关键词： 线性自抗扰控制器; MPPT控制器; 光伏发电; 扩张状态观测器; 二阶自抗扰系统; 功率震荡

中图分类号： TN876?34                         文献标识码： A                          文章编号： 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

光伏发电作为一种清洁能源，受到了广泛的关注。近年来光伏发电有着长足的进步，但仍有进步的空间[1?2]。在发电过程中，由于乌云、光伏组件异物、温度等，会使得光伏发电产生波动，导致发电效率降低。传统的MPPT控制算法如爬坡法、扰动观察法[3]都能在平稳的条件下使系统工作在最大功率点附近，但是却无法有效解决外界扰动带来的影响[4]。

使用太阳能进行光伏发电是社会实现零污染发电的关键技术所在，其相关技术的发展对于推动光伏行业的发展具有很强的作用与重要意义。本文以光伏发电中的核心技术即并网控制为出发点，由于存在系统稳定性不好，容易受到外部环境干扰的特性，把自抗扰控制广泛应用于并网控制中，并对其抗扰性能展开了深入研究。

如今有众多的智能控制算法。其中，自抗扰控制是一种新型的控制方法，其优点是结构简单且易于实现，响应速度快，超调小和鲁棒性强[5]。核心思想是不依赖于控制对象的数学模型，只需知道控制对象的阶次即可设计控制器。ADRC是一种非线性控制理论，主要由安排过渡过程、非线性误差反馈控制率和扩张状态观测器所组成[6]。扩张状态观测器可以实时估计系统的不确定性及外扰，然后用前馈补偿的方式消除干扰。将自抗扰应用到MPPT中，光伏发电系统的光能利用率和抗干扰能力得到了显著的提高[7]。

1  光伏电池特性

光伏电池的理想等效电路如图1所示[8]。

其输出特性为：

式中：[I]为光伏组件输出电流;[V]为光伏组件输出电压;[Iph]为光生电流;[Rs]为等效串联电阻;[Rsh]为等效并联电阻;[I0]为反向饱和电流;[q]为电子电荷量（1.6×10-19 C/m2）;[n]为二极管特性因子;[k]为玻尔兹曼常数（1.38×10-23 J/K）;[T]为光伏组件热力学温度[9]（[T=273.15+t]，[t]为摄氏度）。

使用Matlab/Simulink对光伏电池理想等效电路建模，得到[P?V]，[I?V]仿真曲线，如图2a），图2b）所示。

由图2中可以看出MPPT特性为：输出功率存在唯一最大值点，随着电压的增加先增大后减小，整个输出呈现很强的非线性[9?10]。

2  自抗扰与MPPT控制器设计

2.1  光伏系统建模

选用BOOST变换器为系统拓扑电路[11]，光伏系统结构如图3所示。

一般的MPPT控制方法如电导增量法，其实是使用[ΔIΔV]替代[IV]的过程，这样不可避免地损失一部分精度。

对于某一个系统[y=f（x）]，通常使用式（3）中括号里的第二项为时间常数的惯性环节，第一项表示直接传递输入信号到输出的过程[12]。

那么有：

式中：[v（t）]，[y（t）]分别是微分器的输入和输出。当输入信号含有随机噪声时：

随着[τ]的减小，[y（t）]受到的干扰会越来越严重，太大又无法获取微分信号;综上，可以采用两个跟踪微分器分别得到电流和电压对时间的微分信号[13?14]。

2.2  MPPT控制器

系统输入电压[Ud]与给定[Uref]相比较，得到的误差作为线性自抗扰的输入进行控制调节，得到电流的指定幅值[Iref]，与实际输出电流[is]相比较，做PI控制，与检测到的[Us]相加，得到SPWM的控制信号，进而控制逆变器IGBT的通断，其控制框图如图4所示。

线性自抗扰LADRC由扰动补偿、线性状态观测器、线性误差反馈率构成，由上述控制策略设计的二阶自抗扰控制系统如图5所示。

PD控制器：

扩张状态观测器LESO如下：

扰动补偿：

式中：[Z1]为输出的估计;[Z2]为输出微分的估计;[Z3]为系统扰动的估计;[Kp]，[Kd]为PD控制器参数;[b0]为扰动因子。

3  仿真实验结果

由得到的基于自抗扰的MPPT算法结构，利用Matlab/Simulink平台对系统进行仿真，选取MPPT控制器参数为：[w0=]700，[wc=]300，[b=10]。在温度为[t=]25 ℃，光照强度[S=]1 000 W/m2的环境下仿真。结果如图6所示。

从图6中可以看出，若只使用电导增量法，系统达到最大功率1 220 W所需时间多于自抗扰，可见，本文所设计的MPPT控制器能够减少跟踪时间，减少功率震荡。

当外界环境发生突变时，改变光照条件在0.5 s时从[S=]1 000 W/m2突变至[S=]800 W/m2，光伏发电系统仿真结果如图7所示。

自抗扰的存在能够很好地改善当外界环境进行突变时带来的影响，可以看出，0.5 s时改变外界环境，系统很快达到新的稳定，减少了功率震荡。

4  結  语

本文设计的基于线性自抗扰的MPPT控制器，与传统的电导增量法相比较，能够很好地抑制功率震荡，提高了响应速度，在外界环境突变时，能够更快地使系统回到稳定，具有很好的鲁棒性。

参考文献

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