基于多变量双闭环控制与同步锁相控制相结合的光伏并网控制策略研究

刘宇刚

(贵州师范大学 机械与电气工程学院，贵州 贵阳 550025)

0 引言

随着我国能源结构调整，智能电网与微电网快速发展，秉持节能减排、绿色能源、可持续发展，以风力、光伏发电的新能源发电的理念将成为未来主要的发电形式[1]。

本文以光伏并网发电作为研究对象。由于光伏发电具有其自身的特点，容易受到气候等外界环境因素干扰，其中的随机性、间歇性和波动性对电网的影响最大，因此，想要获得到稳定的电能，必须采取有效措施加以控制，以确保电网运行安全、稳定。为了提高电能质量，必须对新能源发电输出的电能采用最新电力电子技术和智能控制技术进行变换和有效控制，对并网的电流和电压谐波含量、频率的偏差满足国家对新能源入电网的规范。

本文在对相关文献的分析与研究的基础上，提出了多变量双环控制与同步锁相控制相结合的综合控制策略，并对逆变系统建立了相应的数学模型，确立了基于 DSP的电流跟踪控制策略，以 PI 闭环调节作为其控制核心，采用同步锁相控制以实现并网电流与电网电压同频同相[2]。

1 光伏并网控制策略整体设计

根据已有的研究成果，为了满足并网电流必须与电网电压同频同相，构建了多变量双环控制与同步锁相控制相结合的综合控制策略，其整体设计框图如图1所示。

图1 并网控制策略整体设计框图

由图1可分析出整体设计目标是实现并网电流与电网电压的同频、同相[3]。

2 多变量双闭环控制设计

通过对常规逆变控制策略的分析研究发现，若单独采用内环控制存在稳态误差，必须加上外环控制。但若采用常规的电压电流双闭环PI控制器，则会带来输出的电流与电网电压的频率和相位存在较大的误差，也就带来了跟踪误差较大的问题。普通的PI控制器参数极大的依赖系统建模的精确度。一旦系统因环境或气候因素发生变化时，PI控制器无法进行及时调整。因此，普通的PI控制系统的鲁棒性较差。为了解决双闭环带来的稳态误差和跟踪误差的问题，设计了如图2所示的控制框图。从图2可以看出，在传统PI控制器中加入模糊控制，使系统既具有适应性良好又具有PI控制器精确度高的优点，以此来提高系统的鲁棒性[4]。

在图2所示的控制系统中，转换为dq坐标系，现以d轴为例说明其工作原理。

图2 多变量双闭环控制系统设计

idref：d轴有功电流，id：d轴有功电流的实际采样值。idref-id的差值经过模糊PI控制器进行计算，把计算的结果再一次与电压电流经过比例反馈控制器输出的结果作差，这样得到的最终的结果，经SVPWM调制后，其结果对逆变电路中开关管进行开断控制，使逆变器的输出电流id稳定在参考值附近，其目的是为了保证输出电流与输出电压更接近于正弦波。

(1)

表达式(2)中所采用的是解模糊法，其加权平均值如(2)式所示：

(2)

式中：u(Ai)为第i个模糊输出变量的隶属度，U(Ai)为其在隶属度函数中对应的值。

Kp、Ki可以根据条件变化而不断调整到最佳数值，该方法很好地提高了系统的动态性能。

在MATLAB/Simulink仿真软件上搭建仿真模型，对以上的设计进行仿真，对所提出的算法进行验证，得到仿真结果如图3所示，从图中可以看出，采取基于PI控制器的双环控制策略，其跟踪动态响应得到了的提高。图3的结果说明，所设计的模糊PI控制的多变量电流双闭环控制策略能够自动适应外界环境的变化，通过模糊控制在线辨识得到PI控制器的最佳Kp、Ki值。能较好地克服普通PI控制器所带来的稳态误差和控制精度差的问题。因此，采用模糊PI控制不仅能保证系统输出高质量的并网电能，而且大大提高了光伏系统的鲁棒性和稳定性[5]。

图3 PI控制下的并网电流与电网电压

3 同步锁相环的设计

在光伏并网中采用锁相技术，其目的是使并网电流和电网电压同频同相，并且使光伏并网系统能在并网点得到最大有功功率。目前一般的锁相环控制仅适用于在电网平衡的情况下。但由于电网所处环境恶劣，会出现许多不确定的因素，电网极有可能出现三相电网不平衡的情况，此时锁相环检测的难度就会加大，环境监测的信息不准确，会对光伏并网发电系统的控制造成干扰。因此，在综合分析相关成果的基础上，综合了各种锁相环的控制方法，提出了二阶广义积分器(SOGI)与延迟信号对消法(DSC)相结合的锁相方法，如图4所示，通过DSC模块分离出基波正序电压，最后通过PI控制器和积分器实现对基波正序分量相位信息检测[6]。

图4 PLL结构框图

4 基于DSP的并网控制实现

本控制系统需要控制器能够快速精确地运算才能满足系统的设计要求，因此，采用TMS320F2812数字信号处理器，其控制系统以DSP为整个系统的控制核心，还包含了许多外围电路[6]。在此就不一一说明，可查阅其他相关文献资料。

在软件设计方面，本文以软件锁相环为例来进行论述，软件锁相环程序流程如图5所示。由于DSP芯片具有强大的运算能力，因此本论文采用软件锁相技术(SPLL)实现光伏并网[7]。

图5 同步锁相锁流程

5 结语

为了实现光伏并网发电，使并网电流与电网电压实现同频、同相，本文提出了多变量双闭环和同步锁相环相结合的控制策略。为了实现这一控制策略，采用了DSP2812作为控制系统的核心，并对其软硬件设计进行了详细的研究，最后通过仿真验证了本文提出的多变量双闭环与同步锁相结合的控制策略，能实现并网电流实时同步电网电压的频率和相位。