基于DSP和FPGA的一種新型光伏并網(wǎng)控制方法

摘要：基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)與現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)，提出了一種適合光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的新型控制方法，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制器。DSP負(fù)責(zé)電壓外環(huán)控制以及最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制；FPGA負(fù)責(zé)帶電壓前饋的電流內(nèi)環(huán)控制和正弦脈寬調(diào)制(SPWM)驅(qū)動(dòng)算法；DSP與FPGA之間通過(guò)串行外設(shè)接口SPI總線通訊。該控制結(jié)構(gòu)不僅高度模塊化、穩(wěn)定可靠，而且實(shí)現(xiàn)了三相電流獨(dú)立控制。最后進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并實(shí)際應(yīng)用在某500 kW光伏并網(wǎng)逆變器中，仿真和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，并網(wǎng)運(yùn)行性能良好。
關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)；數(shù)字信號(hào)處理器；現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列

1 引言
    在光伏并網(wǎng)發(fā)電領(lǐng)域，控制系統(tǒng)主要基于DSP芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于該芯片都是基于軟件編程來(lái)完成相應(yīng)的控制功能，因此一旦與DSP相配合的外圍電路結(jié)構(gòu)變復(fù)雜后，由于軟件中斷發(fā)生的不確定性，可能對(duì)邏輯信號(hào)造成一定延時(shí)，導(dǎo)致程序運(yùn)行出現(xiàn)故障的幾率增加。故采用DSP單一處理器來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)存在一定的缺陷。FPGA可根據(jù)實(shí)際控制需要靈活配置其內(nèi)部具體邏輯電路功能，有利于實(shí)現(xiàn)功能模塊化，提高系統(tǒng)的可靠性。而DSP在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理速度與系統(tǒng)控制方面存在明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，如何將DSP快速運(yùn)算的實(shí)時(shí)性與FPGA的高可靠性相結(jié)合，并以此結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)，具有重要意義。

2 控制方案
    提出一種基于DSP和FPGA雙處理器結(jié)構(gòu)的單級(jí)三相光伏并網(wǎng)控制方案，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主要包括主電路、DSP控制器和FPGA控制器三部分。主電路工作原理為：三相逆變器在DSP和FPGA雙CPU結(jié)構(gòu)的光伏并網(wǎng)控制器的控制下，發(fā)出SPWM信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)三相逆變器工作，將光伏陣列輸出的直流電壓逆變?yōu)槿嘟涣麟妷?，通過(guò)濾波電路濾波后并入電網(wǎng)；DSP控制器負(fù)責(zé)電壓外環(huán)控制及MPPT控制，且通過(guò)串行外部接口SPI總線將光伏陣列的輸出電壓Upv及三相給定電流信號(hào)iaref，ibref，icref高速傳輸給FPGA控制器，然后通過(guò)帶電壓前饋的電流內(nèi)環(huán)控制和SPWM驅(qū)動(dòng)算法給三相逆變器的a，b，c相上下橋臂發(fā)出6路脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
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2．1 DSP控制器
    DSP控制器實(shí)現(xiàn)的功能包括鎖相環(huán)(PLL)算法、MPPT算法、直流母線電壓PI調(diào)節(jié)器、d，q坐標(biāo)系到a，b，c坐標(biāo)系的變換及SPI通信。
    具體工作過(guò)程為：DSP芯片首先通過(guò)采樣電路采集電網(wǎng)a，b，c三相電壓信號(hào)ea，eb，ec及Upv和光伏陣列輸出電流Ipv；然后根據(jù)Upv和Ipv，采用常用的MPPT算法，即擾動(dòng)觀察法，求取光伏陣列最大功率點(diǎn)參考電壓Uref；接著將Upv與Uref作差后，通過(guò)直流母線電壓PI調(diào)節(jié)器計(jì)算得到最大功率點(diǎn)跟蹤電流Idref，同時(shí)為保證逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同相位，在d，q矢量旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，設(shè)置q軸參考電流，Iqref =0；進(jìn)一步利用電網(wǎng)電壓矢量旋轉(zhuǎn)角度θ，將d軸參考電流Idref和q軸參考電流Iqref通過(guò)d，q坐標(biāo)系變換到a，b，c坐標(biāo)系，得到iaref，ibref，icref；最后通過(guò)SPI總線將信號(hào)ea，eb，ec，iaref，ibref，icref，Upv，ia，ib，ic高速傳輸給FPGA芯片。這里給出SPI的通訊初始化程序：
   
2．2 FPGA控制器
    為提高系統(tǒng)的模塊化程度和可靠性，系統(tǒng)針對(duì)a，b，c三相電流信號(hào)分別采用3個(gè)獨(dú)立的FPGA控制器，得到用于驅(qū)動(dòng)三相逆變器a，b，c相上下橋臂的6路脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
    具體工作原理：第一塊FPGA處理器根據(jù)iaref與光伏并網(wǎng)逆變器輸出的a相電流信號(hào)ia的差值通過(guò)第一電流PI調(diào)節(jié)器后與市電電網(wǎng)的a相電壓信號(hào)ea相加，得到a相電壓調(diào)制信號(hào)ua1，再將ua1與Upv通過(guò)SPWM算法，得到光伏并網(wǎng)逆變器a相上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM1，PWM2。b，c相的工作原理與a相相同。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
3．1 仿真驗(yàn)證
    為驗(yàn)證所提出的控制方法的有效性，基于Matlab／Simulink&SimPowerSystem構(gòu)建500 kW光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真平臺(tái)，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。[!--empirenews.page--]
    仿真參數(shù)：標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境(輻照度為1 000 W／m2，環(huán)境溫度為25℃)條件下，500 kW光伏陣列的最大功率點(diǎn)電壓650 V；最大功率點(diǎn)電流769 A；短路電流980 A；開(kāi)路電壓1 kV；直流母線電容C=0．022 7 F；濾波器電感L=0．3 mH；濾波器電阻R=0．03 Ω；直流母線電壓PI調(diào)節(jié)器中比例、積分系數(shù)分別為0．2和15：3個(gè)FPGA控制器中的電流PI調(diào)節(jié)器參數(shù)均相同，其比例、積分系數(shù)為5 000和1 000；逆變器輸出電流采樣頻率及其開(kāi)關(guān)頻率均為3 kHz。仿真波形如圖2所示。

    在t=0．2 s時(shí)刻，并網(wǎng)逆變器開(kāi)始啟動(dòng)運(yùn)行，Upv在MPPT算法的作用下從開(kāi)路電壓1 kV開(kāi)始逐漸下降，經(jīng)過(guò)約0．55 s進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，整個(gè)過(guò)程中Upv跟蹤Uref效果良好。Ipv由零開(kāi)始逐漸增加，經(jīng)過(guò)約0．55 s達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。光伏陣列輸出直流功率Pdc和光伏并網(wǎng)逆變器輸出交流功率Pac均由零逐漸增加，經(jīng)過(guò)約0．55 s達(dá)到額定值500 kW，且整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程及穩(wěn)態(tài)情況下，Pdc與Pac近似相等。從0．2 s系統(tǒng)啟動(dòng)開(kāi)始，ia由零逐漸增加，直至達(dá)到電流額定值，且其始終與電網(wǎng)電壓ea同頻同相。ia的總諧波畸變率THD僅在系統(tǒng)初始啟動(dòng)瞬間較大，一旦系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，其THD迅速降至5％以內(nèi)，滿足電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)。
3．2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    為進(jìn)一步驗(yàn)證所提控制方法的有效性，基于TMS320F2812型DSP和EP2C5T144C8型FPGA主控芯片研制相應(yīng)的控制器，實(shí)際應(yīng)用于某500 kW
光伏并網(wǎng)逆變器中，其主要電路參數(shù)：滿載MPPT電壓Udc為450～820V，直流母線電容為112．8 mF，直流母線啟動(dòng)電壓470 V，額定輸出功率為500 kW。
    現(xiàn)場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行ua和ia波形如圖3所示。

    可見(jiàn)，ia與ua同頻、同相，證明了所提出的控制方法并網(wǎng)運(yùn)行性能良好。

4 結(jié)論
    基于DSP與FPGA，提出了一種適合光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的新型控制方法，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制器，并給出了仿真和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果，可見(jiàn)該控制方案具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：①系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。通過(guò)將電壓外環(huán)控制及最大功率跟蹤控制置于DSP芯片內(nèi)，將帶電壓前饋的電流內(nèi)環(huán)控制和SPWM驅(qū)動(dòng)算法置于FPGA芯片內(nèi)，且DSP與FPGA之間通過(guò)SPI總線使DSP快速運(yùn)算的實(shí)時(shí)性和FPGA的高可靠性有機(jī)融為一體；②系統(tǒng)高度模塊化。通過(guò)DSP控制器給出各相給定電流信號(hào)，且將三相電流控制分別置于3個(gè)FPGA控制器內(nèi)，分解為3個(gè)單相電流控制，使各相電流控制之間相互獨(dú)立，同時(shí)由于此3個(gè)FPGA控制器完全相同，便于即插即用，使系統(tǒng)的模塊化程度更高。