自抗扰控制技术在光伏并网系统中的应用

自抗扰控制技术在光伏并网系统中的应用

王鹏刘光

1.国网安徽省电力有限公司安徽合肥230000；

2.国网安徽省电力有限公司淮北供电公司安徽淮北235000

摘要：当今世界，能源成为制约经济社会发展的关键因素。随着能源危机、环境污染等问题的日益突出，风能、太阳能、水能等绿色环保能源受到越来越广泛的重视。其中，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。太阳能以光伏发电装置为基础，具有安装简单、维护费用低、寿命长、无污染、无噪声、不受地域限制等优点。目前，光伏发电已被世界各国广泛应用，显示出了广泛的发展空间和应用前景。然而，光伏并网系统是一个非线性、多干扰的复杂系统，光伏发电的质量和效率受环境因素、电网波动、干扰等影响较大。随着光伏产业的不断发展，人们加大了光伏并网技术的研究力度，为了提高光伏并网系统的电能转换的质量和效率，越来越多的控制算法被应用到光伏并网系统的控制中。

关键词：自抗扰控制技术；光伏并网系统；应用

引言

光伏并网系统是一个非线性、多干扰的复杂系统，光伏发电的质量和效率受电网波动、环境干扰、模型不确定性等因素的影响。文中在分析光伏并网系统工作原理和特性的基础上，将自抗扰控制技术应用到两级式光伏并网系统的控制中。控制系统采用双环控制策略，采用自抗扰控制技术设计了直流母线电压外环，用以保证直流母线侧电压的稳定，内环电流环采用PID控制器控制技术，用于实现逆变。为了验证所设计的控制算法的有效性，文中基于MATLAB/Simulink给出了仿真验证，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。

1两级式光伏并网发电系统模型的建立

1.1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，势必会在直流母线侧产生一个电压，这个电压不能过大也不能过小，而且必须在一定范围内保持稳定，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。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。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。考虑到自抗扰控制器的优越性能，本文将自抗扰控制技术引用到电压环的控制中。

1.2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，本设计中电流环采用传统的PID控制策略。

2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，本文基于MATLAB/Simulink建立了100kW的光伏系统数学模型，并给出了仿真验证。主要的设置参数为：光伏阵列的输出功率为100kW，开路电压为682V，最大功率电压516V，最大功率电流为193.8A，短路电流为221A，PID和LADＲC两种控制策略下系统直流侧母线电压曲线图，光伏阵列输出电流曲线图，由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、波动更小。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。功率因数曲线图表明：相对于传统PID控制算法，采用自抗扰控制策略的光伏并网系统功率因数更高，对电网的干扰更小。PID控制和自抗扰控制下系统输出电流曲线图：由图可以发现采用自抗扰控制并网系统并网电流超调更小，更平稳，对电网冲击更小，说明自抗扰控制算法抗干扰能力更强。以上仿真结果表明，与传统PID控制算法相比，ADＲC控制算法响应速度更快，控制精度更高，性能更稳定。

3光伏并网系统工作原理

3.1太阳能电池的工作原理

在整个太阳能光伏发电系统中最关键的结构就是太阳能电池列阵。其品质好坏与整个光伏系统的性能和质量息息相关。太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结光升伏打效应，当物体接收到太阳光的光照时，物体内部的电荷的分布状态会立刻改变，分布状态的改变促使物体产生电流和电动势的效应。若光线照射到半导体的PN结时，PN结的两边会产生光生电压，当PN结短路时会产生电流，光生伏打效应就是这样一种现象。若将PN结与外电路进行连接，通过接收持续性的光照，电路中就会不间断地有电流流过，此时可以将PN结看成一个电源，其为整个电路提供了持续电流，这也就是太阳能电池发电的基本原理。

3.2光伏并网发电系统的工作原理。太阳能电池发电系统是根据光生伏打效应原理制成的，它能够将接收到的太阳辐射能量直接转换成电能。其主要组成部分为太阳能电池方阵和并网逆变器。当白天有太阳光照时，太阳能电池方阵发出的电经过并网逆变器将电能直接输送到交流电网上，或将太阳能所发出的电经过并网逆变器直接为交流负载供电。光伏系统主要由电池组件方阵、充电控制器、蓄电池组、并网逆变器、升压装置等几部分组成，其工作过程如下：第一步，光伏电池组件将吸收的太阳光直接转化为直流电；第二步，形成的直流电在系统控制器的控制下不断向整个蓄电池进行充电；第三步，逆变器将直流电转化为与电网频率及相位保持同步的交流电；最后，交流电通过升压装置将电量输给电网。

3.3光伏并网发电系统的关键技术

光伏并网发电系统的并网控制目标是使得输出电流的频率、相位和电网电压能够达到一致，系统的功率因数值为1。目前电力上常用的电流控制方法主要是电流滞环控制方法和基于SPWM的电流控制方法。

太阳能光伏电池的最大功率点跟踪是光伏发电系统中必不可少的部分，最大功率跟踪的目的是使太阳能电池始终工作在最大功率点。通过跟踪与搜索太阳能电池的最大功率点，实现并网电流最大化，保证并网功率最大化。光伏系统常用的跟踪最大功率点的方法有：滞环比较法、电导增量法、最优梯度法、扰动观察法等。这些方法的共同点是都根据太阳能电池的特性曲线上的最大功率点来搜索所对应的电压。这些方法各有千秋，不同需要时应酌情选择适合的控制方法。

结语

自抗扰控制器针对系统的非线性、不确定性，大干扰具有很强的鲁棒性和适应性。本文在分析两级式光伏并网系统原理和特性的基础上，建立了两级式光伏并网系统数学模型，并将自抗扰控制技术引入两级式光伏并网系统的控制中，针对电压环进行了自抗扰控制器的设计。将环境变化、电网波动、外界干扰等不确定因素看作系统的不确定性，并通过渐进结构优化法（EvolutionaryStructuralOptimiza-tion，ESO）对不确定性动态补偿。最后本文给出了仿真分析，仿真结果验证了所设计的自抗扰控制器的有效性。伴随着全球经济的不断增长，世界能源结构正在发生着翻天覆地的变化，人类希望开发更加经济更加绿色的新能源来替代化石燃料，而光伏发电技术的发明与应用正是为了解决这个问题，继续对该项技术进行深入研究和探索是很有必要的，具有很重要的意义。本篇文章主要从提高光伏发电系统效率的角度进行展开，针对其主要部件——并网逆变器的相关研究以及发展情况进行了详细的论述。介绍了光伏并网发电系统工作原理，详细分析比较了各种拓扑结构的优缺点，对于根据不同需要选择具体的拓扑结构具有一定参考意义。同时，纵观并网逆变器由单级到多级的发展也尚存一些问题有待我们继续研究，比如在保证多级并网逆变器效率的同时提高其稳定性，设计高集成度的模块化结构，减少中间转换环节是今后逆变器结构的主要发展与研究方向。

参考文献：

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