一种基于FPGA的光伏并网系统及其实现方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于FPGA的光伏并网系统及其实现方法，系统包括如下装置：光伏电池PV、稳压电容、DC/DC变换电路、直流母线、DC/AC全桥逆变器、核心控制器FPGA、交流电网以及供电设备、Web服务器、计算机或移动终端等。其中，核心控制器FPGA采用异构双核模式，核1产生前级DC/DC变换电路、后级DC/AC全桥逆变器的PWM驱动信号、以及最大功率点跟踪MPPT控制信号；核0搭载Linux系统来运行网络服务、数据库和远程监控等功能，本发明专利技术的优点在于：异构双核FPGA可并行处理任务，实现不同功能的灵活组合，提高系统运行效率；双核系统易于扩充，能在小巧的外形中融入强大的处理性能，这种外形所用的功耗低、计算功耗产生的热量少。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及新能源
，尤其涉及一种基于FPGA的光伏并网系统及其实现方法。
技术介绍
随着全球储备能源的快速消耗，诸如煤、石油、天然气等传统能源的供应愈发紧张，为了缓解能源与环境危机，风能、太阳能等一次可再生能源的开发利用得到高度关注。近十年来，太阳能光伏产业得到飞速发展，光伏装机总量在全球范围内呈爆炸性增长趋势。仅在2013年，全球光伏装机容量新增38.7GW，总装机容量达到140.6GW，光伏产业已进入新的发展时期。同时伴随的一系列光伏并网问题也愈加凸现，例如，光伏并网系统对电网电能质量的影响问题、逆变器的控制问题、低电压穿越等问题。光伏发电并网系统由于其发电的不连续性和随机性，系统输出不稳定，输入电网电压产生波动，从而对电网产生一系列电能质量方面的影响。并网系统中的电力电子装置，如DC/DC变换电路、逆变器等在实现电压电流处理的同时，会产生谐波电流，使电压波形产生畸变。逆变器的控制问题即为在保证输出电压与电网电压同频同相的同时，有效控制输出电流并减少谐波对电网的影响。同时，当电网电压发生突降时，将严重影响配电网的稳定性，从而影响电网的正常运行。为了最大限度提高太阳能利用率，实现光伏发电的安全有效并网，研究实时高效的光伏并网系统势在必行。对于当前光伏并网系统来说，国内对光伏并网系统的功能控制大多使用单片机、数字信号处理器DSP或集成电路ASIC等串行结构控制器，其运行速度和可扩展性还有待提高。基于并行结构运算的可编程逻辑阵列FPGA能够自定义不同功能的单元模块，具有集成度高、资源分配灵活和扩展性强等特点，为光伏并网系统提供了良好的硬件基础。其次，直流、交流变换器的控制信号常采用电压电流双闭环PI控制方法产生，该方法实现简单，但它依赖于被控量误差，其控制速度和鲁棒性还有待提高。因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于FPGA的光伏并网系统及其实现方法，具有集成度高、资源分配灵活和扩展性强等特点，提高控制速度和鲁棒性。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是如何基于FPGA设计并网光伏系统，具有集成度高、资源分配灵活和扩展性强等特点，提高控制速度和鲁棒性。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于FPGA的光伏并网系统，包括光伏电池PV、稳压电容、DC/DC变换电路、直流母线、DC/AC全桥逆变器、核心控制器FPGA、交流电网以及供电设备、Web服务器、计算机或者移动终端；光伏电池PV输出与稳压电容并联，稳压电容输出串联滤波电感L1再与DC/DC变换电路并联，DC/DC变换电路输出经单相二极管与稳压电容并联，再经直流母线连接DC/AC全桥逆变器，逆变器输出串联滤波电感L2再经稳压电容并联至交流电网，核心控制器FPGA被配置为采集光伏电池的输出电压和电流信息、DC/DC变换电路的输出电压信息以及电网电压、电流信息，通过自定义驱动和控制模块产生所需的信号给并网系统；核心控制器FPGA被配置为连接Web服务器，通过计算机或者移动终端实现系统监测。进一步地，光伏发电中的所述光伏电池PV采用最大功率点跟踪控制策略，通过核心控制器FPGA的核1自定义的MPPT功能模块来调节光伏电池等效模型中的负载电阻跟随电池内阻；所述光伏电池等效模型由等效电流源Iph、正向二极管Id、电容Cj、PN结旁路分流电阻Rsh、串联电阻Rs和负载RL组成。进一步地，所述DC/DC变换电路采用boost升压变换电路，对光伏逆变产生的电能进行升压处理。进一步地，所述DC/AC全桥逆变器被配置为H桥拓扑结构的单相全桥逆变电路，其中功率开关管为电压驱动型MOSFET管，型号IRF3710，最大电压500V，最大电流57A；功率开关管的驱动电路被配置为SPWM正弦脉宽调制和光耦隔离，隔离电路采用双通道HCPL-2630芯片实现电压隔离，驱动芯片采用专用芯片IR2410。进一步地，所述核心控制器FPGA为异构双核的Zynq-7000，在核心控制器FPGA中，系统功被配置为硬件层、系统层和应用层；其中，核1被配置为实现光伏并网系统的MPPT、SPWM、CAP和ADC控制，核0被配置为移植Linux系统实现光伏监测，包括：远程登录、数据存储和人机交互，同时两核被配置为可进行实时数据交互。进一步地，所述核1的整体架构包括SPWM模块、CAP捕获模块和MPPT模块，所述SPWM模块被配置为采用控制电压电流双闭环滑模控制策略，所述CAP模块的频率和相位跟踪通过锁相环实现，所述锁相环是一个闭环控制系统，通过实时检测电网电压的频率和相位，进行自动跟踪，使逆变器输出电流的频率和相位与电网电压基本一致，其控制精度直接影响光伏系统的并网性能。进一步地，所述核0的整体架构包括移植编译的Linux系统文件、Web交互界面和多线程的应用程序，所述Web交互界面通过CGI程序调用实现Web界面和主机的信息交互，所述多线程的应用程序包含Web数据接收和发送线程、数据库存储线程、双核间通信线程、过流过压和系统异常保护线程。进一步地，Web服务器被配置为Boa嵌入式，Boa服务器和应用程序的标准接口采用CGI；数据库系统为小型SQLite数据库；人机界面包括登录界面、光伏管理界面、实时信息显示界面和历史数据显示界面。进一步地，所述核0运行Linux系统、所述核1运行光伏并网应用程序，所述核0与核1的公有资源和私有资源被配置为通过公有资源OCM实现通信，所述OCM被配置为在一块连续的内存中分配资源，使用内存映射后的地址来访问；所述核0与核1采用了问答机制避免两核产生通信冲突。本专利技术还提供了一种基于FPGA的光伏并网系统的实现方法，包括以下步骤：使用权利要求1～9任意一种所述的光伏并网系统；控制器FPGA采集光伏并网系统中的相关电压电流信号，经过核1的处理和传送，得到DC/DC变换电路、DC/AC全桥逆变器的驱动和光伏电池的控制信号，并将其作用到并网系统中；光伏电池将太阳能转换为电能，经boost升压变换电路提升至逆变电路允许的输入；然后经全桥逆变电路将直流电压变为合适的交流电压回馈至交流电网，从而实现光伏发电的有效并网；同时，核0与核1进行实时数据交互，在Linux系统上远程监测光伏并网系统，监测系统包含用户登录、数据库、网络服务器、开发Web网页以及多线程的通信；用户通过移动设备或计算机查看系统运行状态和实时、历史数据信息。本专利技术的目的在于克服光伏并网系统现有技术的不足，提供一种基于FPGA的光伏并网系统，以异构双核FPGA作为核心控制器，可实现不同功能的灵活组合，提高系统控制性能，同时本专利技术给出了光伏并网的具体实现方法，主要采用如下技术方案：一种基于FPGA的光伏并网系统，包括如下装置：光伏电池PV、稳压电容、DC/DC变换电路、直流母线、DC/AC全桥逆变器、核心控制器FPGA、交流电网以及供电设备、Web服务器、计算机或者移动终端等。光伏电池输出与稳压电容并联，电容输出串联滤波电感L1再与DC/DC变换电路并联，DC/DC变换电路输出经单相二极管与稳压电容并联，再经直流母线连接DC/AC全桥逆变器，逆变器输出串联滤波电感L2再经稳压电容并联至交流电网。核心控制器FPGA则采集光伏电池的输出电压和电流信息、D本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FPGA的光伏并网系统，其特征在于，包括光伏电池PV、稳压电容、DC/DC变换电路、直流母线、DC/AC全桥逆变器、核心控制器FPGA、交流电网以及供电设备、Web服务器、计算机或者移动终端；光伏电池PV输出与稳压电容并联，稳压电容输出串联滤波电感L1再与DC/DC变换电路并联，DC/DC变换电路输出经单相二极管与稳压电容并联，再经直流母线连接DC/AC全桥逆变器，逆变器输出串联滤波电感L2再经稳压电容并联至交流电网，核心控制器FPGA被配置为采集光伏电池的输出电压和电流信息、DC/DC变换电路的输出电压信息以及电网电压、电流信息，通过自定义驱动和控制模块产生所需的信号给并网系统；核心控制器FPGA被配置为连接Web服务器，通过计算机或者移动终端实现系统监测。

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的光伏并网系统，其特征在于，包括光伏电池PV、稳压电容、DC/DC变换电路、直流母线、DC/AC全桥逆变器、核心控制器FPGA、交流电网以及供电设备、Web服务器、计算机或者移动终端；光伏电池PV输出与稳压电容并联，稳压电容输出串联滤波电感L1再与DC/DC变换电路并联，DC/DC变换电路输出经单相二极管与稳压电容并联，再经直流母线连接DC/AC全桥逆变器，逆变器输出串联滤波电感L2再经稳压电容并联至交流电网，核心控制器FPGA被配置为采集光伏电池的输出电压和电流信息、DC/DC变换电路的输出电压信息以及电网电压、电流信息，通过自定义驱动和控制模块产生所需的信号给并网系统；核心控制器FPGA被配置为连接Web服务器，通过计算机或者移动终端实现系统监测。2.根据权利要求1所述的光伏并网系统，其特征在于，光伏发电中的所述光伏电池PV采用最大功率点跟踪控制策略，通过核心控制器FPGA的核1自定义的MPPT功能模块来调节光伏电池等效模型中的负载电阻跟随电池内阻；所述光伏电池等效模型由等效电流源Iph、正向二极管Id、电容Cj、PN结旁路分流电阻Rsh、串联电阻Rs和负载RL组成。3.根据权利要求1所述的光伏并网系统，其特征在于，所述DC/DC变换电路采用boost升压变换电路，对光伏逆变产生的电能进行升压处理。4.根据权利要求1所述的光伏并网系统，其特征在于，所述DC/AC全桥逆变器被配置为H桥拓扑结构的单相全桥逆变电路，其中功率开关管为电压驱动型MOSFET管，型号IRF3710，最大电压500V，最大电流57A；功率开关管的驱动电路被配置为SPWM正弦脉宽调制和光耦隔离，隔离电路采用双通道HCPL-2630芯片实现电压隔离，驱动芯片采用专用芯片IR2410。5.根据权利要求1所述的光伏并网系统，其特征在于，所述核心控制器FPGA为异构双核的Zynq-7000，在核心控制器FPGA中，系统功被配置为硬件层、系统层和应用层；其中，核1被配置为实现光伏并网系统的MPPT、SPWM、CAP和ADC控制，核0被配置为移植Linux系统实现光伏监测，包括：远程登录、数据存储和人机交互，同时两核被配置为可进行实时数据交互。6.根据权利要求5...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯小燕，王维建，
申请(专利权)人：上海新华控制技术集团科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31