基于DSP和FPGA的一种新型光伏并网控制方法
摘要: 基于数字信号处理器(DSP)与现场可编程门阵列(FPGA),提出了一种适合光伏并网系统的新型控制方法,并设计了相应的控制器。DSP负责电压外环控制以及最大功率点跟踪(MPPT)控制;FPGA负责带电压前馈的电流内环控制和正弦脉宽调制(SPWM)驱动算法;DSP与FPGA之间通过串行外设接口SPI总线通讯。该控制结构不仅高度模块化、稳定可靠,而且实现了三相电流独立控制。最后进行了仿真验证,并实际应用在某500 kW光伏并网逆变器中,仿真和现场试验结果表明,并网运行性能良好。
1 引言
在光伏并网发电领域,控制系统主要基于DSP芯片进行设计。由于该芯片都是基于软件编程来完成相应的控制功能,因此一旦与DSP相配合的外围电路结构变复杂后,由于软件中断发生的不确定性,可能对逻辑信号造成一定延时,导致程序运行出现故障的几率增加。故采用DSP单一处理器来设计系统存在一定的缺陷。FPGA可根据实际控制需要灵活配置其内部具体逻辑电路功能,有利于实现功能模块化,提高系统的可靠性。而DSP在实时数据处理速度与系统控制方面存在明显的优势。因此,如何将DSP快速运算的实时性与FPGA的高可靠性相结合,并以此结构来设计光伏并网控制系统,具有重要意义。
2 控制方案
提出一种基于DSP和FPGA双处理器结构的单级三相光伏并网控制方案,其结构如图1所示。
光伏并网系统主要包括主电路、DSP控制器和FPGA控制器三部分。主电路工作原理为:三相逆变器在DSP和FPGA双CPU结构的光伏并网控制器的控制下,发出SPWM信号来驱动三相逆变器工作,将光伏阵列输出的直流电压逆变为三相交流电压,通过滤波电路滤波后并入电网;DSP控制器负责电压外环控制及MPPT控制,且通过串行外部接口SPI总线将光伏阵列的输出电压Upv及三相给定电流信号iaref,ibref,icref高速传输给FPGA控制器,然后通过带电压前馈的电流内环控制和SPWM驱动算法给三相逆变器的a,b,c相上下桥臂发出6路脉冲驱动信号。
2.1 DSP控制器
DSP控制器实现的功能包括锁相环(PLL)算法、MPPT算法、直流母线电压PI调节器、d,q坐标系到a,b,c坐标系的变换及SPI通信。
具体工作过程为:DSP芯片首先通过采样电路采集电网a,b,c三相电压信号ea,eb,ec及Upv和光伏阵列输出电流Ipv;然后根据Upv和Ipv,采用常用的MPPT算法,即扰动观察法,求取光伏阵列最大功率点参考电压Uref;接着将Upv与Uref作差后,通过直流母线电压PI调节器计算得到最大功率点跟踪电流Idref,同时为保证逆变器输出电流与电网电压同相位,在d,q矢量旋转坐标系中,设置q轴参考电流,Iqref =0;进一步利用电网电压矢量旋转角度θ,将d轴参考电流Idref和q轴参考电流Iqref通过d,q坐标系变换到a,b,c坐标系,得到iaref,ibref,icref;最后通过SPI总线将信号ea,eb,ec,iaref,ibref,icref,Upv,ia,ib,ic高速传输给FPGA芯片。这里给出SPI的通讯初始化程序:
2.2 FPGA控制器
为提高系统的模块化程度和可靠性,系统针对a,b,c三相电流信号分别采用3个独立的FPGA控制器,得到用于驱动三相逆变器a,b,c相上下桥臂的6路脉冲驱动信号。
具体工作原理:第一块FPGA处理器根据iaref与光伏并网逆变器输出的a相电流信号ia的差值通过第一电流PI调节器后与市电电网的a相电压信号ea相加,得到a相电压调制信号ua1,再将ua1与Upv通过SPWM算法,得到光伏并网逆变器a相上、下桥臂的驱动信号PWM1,PWM2。b,c相的工作原理与a相相同。
3 仿真与实验验证
3.1 仿真验证
为验证所提出的控制方法的有效性,基于Matlab/Simu
在t=0.2 s时刻,并网逆变器开始启动运行,Upv在MPPT算法的作用下从开路电压1 kV开始逐渐下降,经过约0.55 s进入稳态,整个过程中Upv跟踪Uref效果良好。Ipv由零开始逐渐增加,经过约0.55 s达到稳态值。光伏阵列输出直流功率Pdc和光伏并网逆变器输出交流功率Pac均由零逐渐增加,经过约0.55 s达到额定值500 kW,且整个启动过程及稳态情况下,Pdc与Pac近似相等。从0.2 s系统启动开始,ia由零逐渐增加,直至达到电流额定值,且其始终与电网电压ea同频同相。ia的总谐波畸变率THD仅在系统初始启动瞬间较大,一旦系统进入稳态,其THD迅速降至5%以内,满足电网谐波标准。
3.2 实验验证
为进一步验证所提控制方法的有效性,基于TMS320F2812型DSP和EP2C5T144C8型FPGA主控芯片研制相应的控制器,实际应用于某500 kW
光伏并网逆变器中,其主要电路参数:满载MPPT电压Udc为450~820V,直流母线电容为112.8 mF,直流母线启动电压470 V,额定输出功率为500 kW。
现场并网运行ua和ia波形如图3所示。
可见,ia与ua同频、同相,证明了所提出的控制方法并网运行性能良好。
4 结论
基于DSP与FPGA,提出了一种适合光伏并网系统的新型控制方法,设计了相应的控制器,并给出了仿真和现场试验效果,可见该控制方案具有以下突出优点:①系统稳定可靠。通过将电压外环控制及最大功率跟踪控制置于DSP芯片内,将带电压前馈的电流内环控制和SPWM驱动算法置于FPGA芯片内,且DSP与FPGA之间通过SPI总线使DSP快速运算的实时性和FPGA的高可靠性有机融为一体;②系统高度模块化。通过DSP控制器给出各相给定电流信号,且将三相电流控制分别置于3个FPGA控制器内,分解为3个单相电流控制,使各相电流控制之间相互独立,同时由于此3个FPGA控制器完全相同,便于即插即用,使系统的模块化程度更高。
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