基于多變量雙閉環控制與同步鎖相控制相結合的光伏并網控制策略研究

劉宇剛

(貴州師范大學 機械與電氣工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

隨著我國能源結構調整，智能電網與微電網快速發展，秉持節能減排、綠色能源、可持續發展，以風力、光伏發電的新能源發電的理念將成為未來主要的發電形式[1]。

本文以光伏并網發電作為研究對象。由于光伏發電具有其自身的特點，容易受到氣候等外界環境因素干擾，其中的隨機性、間歇性和波動性對電網的影響最大，因此，想要獲得到穩定的電能，必須采取有效措施加以控制，以確保電網運行安全、穩定。為了提高電能質量，必須對新能源發電輸出的電能采用最新電力電子技術和智能控制技術進行變換和有效控制，對并網的電流和電壓諧波含量、頻率的偏差滿足國家對新能源入電網的規范。

本文在對相關文獻的分析與研究的基礎上，提出了多變量雙環控制與同步鎖相控制相結合的綜合控制策略，并對逆變系統建立了相應的數學模型，確立了基于 DSP的電流跟蹤控制策略，以 PI 閉環調節作為其控制核心，采用同步鎖相控制以實現并網電流與電網電壓同頻同相[2]。

1 光伏并網控制策略整體設計

根據已有的研究成果，為了滿足并網電流必須與電網電壓同頻同相，構建了多變量雙環控制與同步鎖相控制相結合的綜合控制策略，其整體設計框圖如圖1所示。

圖1 并網控制策略整體設計框圖

由圖1可分析出整體設計目標是實現并網電流與電網電壓的同頻、同相[3]。

2 多變量雙閉環控制設計

通過對常規逆變控制策略的分析研究發現，若單獨采用內環控制存在穩態誤差，必須加上外環控制。但若采用常規的電壓電流雙閉環PI控制器，則會帶來輸出的電流與電網電壓的頻率和相位存在較大的誤差，也就帶來了跟蹤誤差較大的問題。普通的PI控制器參數極大的依賴系統建模的精確度。一旦系統因環境或氣候因素發生變化時，PI控制器無法進行及時調整。因此，普通的PI控制系統的魯棒性較差。為了解決雙閉環帶來的穩態誤差和跟蹤誤差的問題，設計了如圖2所示的控制框圖。從圖2可以看出，在傳統PI控制器中加入模糊控制，使系統既具有適應性良好又具有PI控制器精確度高的優點，以此來提高系統的魯棒性[4]。

在圖2所示的控制系統中，轉換為dq坐標系，現以d軸為例說明其工作原理。

圖2 多變量雙閉環控制系統設計

idref：d軸有功電流，id：d軸有功電流的實際采樣值。idref-id的差值經過模糊PI控制器進行計算，把計算的結果再一次與電壓電流經過比例反饋控制器輸出的結果作差，這樣得到的最終的結果，經SVPWM調制后，其結果對逆變電路中開關管進行開斷控制，使逆變器的輸出電流id穩定在參考值附近，其目的是為了保證輸出電流與輸出電壓更接近于正弦波。

(1)

表達式(2)中所采用的是解模糊法，其加權平均值如(2)式所示：

(2)

式中：u(Ai)為第i個模糊輸出變量的隸屬度，U(Ai)為其在隸屬度函數中對應的值。

Kp、Ki可以根據條件變化而不斷調整到最佳數值，該方法很好地提高了系統的動態性能。

在MATLAB/Simulink仿真軟件上搭建仿真模型，對以上的設計進行仿真，對所提出的算法進行驗證，得到仿真結果如圖3所示，從圖中可以看出，采取基于PI控制器的雙環控制策略，其跟蹤動態響應得到了的提高。圖3的結果說明，所設計的模糊PI控制的多變量電流雙閉環控制策略能夠自動適應外界環境的變化，通過模糊控制在線辨識得到PI控制器的最佳Kp、Ki值。能較好地克服普通PI控制器所帶來的穩態誤差和控制精度差的問題。因此，采用模糊PI控制不僅能保證系統輸出高質量的并網電能，而且大大提高了光伏系統的魯棒性和穩定性[5]。

圖3 PI控制下的并網電流與電網電壓

3 同步鎖相環的設計

在光伏并網中采用鎖相技術，其目的是使并網電流和電網電壓同頻同相，并且使光伏并網系統能在并網點得到最大有功功率。目前一般的鎖相環控制僅適用于在電網平衡的情況下。但由于電網所處環境惡劣，會出現許多不確定的因素，電網極有可能出現三相電網不平衡的情況，此時鎖相環檢測的難度就會加大，環境監測的信息不準確，會對光伏并網發電系統的控制造成干擾。因此，在綜合分析相關成果的基礎上，綜合了各種鎖相環的控制方法，提出了二階廣義積分器(SOGI)與延遲信號對消法(DSC)相結合的鎖相方法，如圖4所示，通過DSC模塊分離出基波正序電壓，最后通過PI控制器和積分器實現對基波正序分量相位信息檢測[6]。

圖4 PLL結構框圖

4 基于DSP的并網控制實現

本控制系統需要控制器能夠快速精確地運算才能滿足系統的設計要求，因此，采用TMS320F2812數字信號處理器，其控制系統以DSP為整個系統的控制核心，還包含了許多外圍電路[6]。在此就不一一說明，可查閱其他相關文獻資料。

在軟件設計方面，本文以軟件鎖相環為例來進行論述，軟件鎖相環程序流程如圖5所示。由于DSP芯片具有強大的運算能力，因此本論文采用軟件鎖相技術(SPLL)實現光伏并網[7]。

圖5 同步鎖相鎖流程

5 結語

為了實現光伏并網發電，使并網電流與電網電壓實現同頻、同相，本文提出了多變量雙閉環和同步鎖相環相結合的控制策略。為了實現這一控制策略，采用了DSP2812作為控制系統的核心，并對其軟硬件設計進行了詳細的研究，最后通過仿真驗證了本文提出的多變量雙閉環與同步鎖相結合的控制策略，能實現并網電流實時同步電網電壓的頻率和相位。