一种基于FPGA的光伏并网系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于FPGA的光伏并网系统，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。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。异构双核FPGA可并行处理任务，实现不同功能的灵活组合；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。逆变器的SPWM控制主要采用电压电流双闭环主动控制，该方法鲁棒性强，控制速度快，逆变器输出电压与电网参考电压基本一致。

A photovoltaic grid connected system based on FPGA

The utility model discloses a photovoltaic grid connected system based on FPGA, the system comprises: photovoltaic cell PV voltage capacitor, DC/DC converter, DC bus, DC/AC full bridge inverter, the core controller FPGA, AC power grid and power supply equipment. Among them, the core controller FPGA with heterogeneous dual core mode, and before the 1 nuclear grade DC/DC conversion circuit and DC/AC full bridge inverter PWM drive signal, and the maximum power point tracking MPPT control signal; 0 nuclear powered by the Linux system to run the network services, database and remote monitoring etc.. Heterogeneous dual core FPGA parallel processing tasks, flexible combination to achieve different functions; dual core system is easy to expand, with strong processing performance in a compact size, low power consumption by this shape, the calculation of power consumption less heat generation. The SPWM control of inverter mainly adopts the voltage and current double closed loop active control. This method has strong robustness and fast control speed, and the inverter output voltage is basically the same as the grid reference voltage.

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的光伏并网系统
本技术涉及新能源
，尤其涉及一种基于FPGA的光伏并网系统。
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2015年，光伏发电装机总容量达到2100万千瓦，年发电量达250亿千瓦时。光伏产业已进入新的发展时期，将成为以后电力来源的重要组成部分。同时伴随的一系列光伏并网问题也愈加凸现，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。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。
技术实现思路
本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，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、DC/DC变换电路的输出电压信息以及系统输出电压、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。所述光伏发电中的PV部分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，从而实现光伏电池最大功率输出。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等组成。电池模型结构简单，内阻即为电路输出阻抗。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，从而降低其在直流母线上传输时的能耗。所述DC/AC全桥逆变器选择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。根据SPWM正弦脉宽调制技术设计了其驱动电路，并在设计中加入了光耦隔离。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，它具有双通道，驱动能力强，能驱动高压高速的电压驱动型开关管。所述核心控制器FPGA选用异构双核的Zynq-7000型号。在FPGA中，系统功能实现主要包括三层：硬件层、系统层和应用层。FPGA中，核1实现光伏并网系统的相关控制，主要完成MPPT、SPWM、CAP和ADC等算法程序设计，核0移植Linux系统，实现光伏监测，同时两核也可以进行实时数据交互。其中硬件的实现主要包括FPGAZedBorad开发板、FPGASD卡电路设计、FPGAUART电路设计、全桥逆变电路设计、驱动电路设计、采样电路设计、过零比较电路设计、辅助电源电路设计、并网开关电路设计、保护电路设计等。所述核心控制器FPGA中核1的软件实现整体架构：包括实现对SPWM模块、CAP捕获模块和MPPT模块等的设计，并对频率跟踪、相位跟踪、ADC采样、孤岛检测和MPPT算法等程序进行设计。其中，自定制了多个FPGA的IP核，如在Matlab下，结合DDS和滑模技术，生成SPWM模块的IP核，程序中只需更改SPWM模块的频率和相位参考值，即可灵活实现SPWM波的实时更新。SPWM控制主要采用电压电流双闭环滑模控制策略，该方法能使逆变器输出电压快速跟踪电网指定电压。同时编写了CAP信号的捕获逻辑，生成CAP捕获模块的IP核，定制了CAP模块的电网频率、相位和逆变频率、相位等寄存器。所述频率和相位跟踪通过锁相环实现。锁相环是一个闭环控制系统，它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。本技术的优点在于：1、异构双核FPGA可并行处理任务，实现不同功能的灵活组合。2、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。3、逆变器的SPWM控制主要采用电压电流双闭环主动控制，与传统PI控制相比，该方法鲁棒性强，控制速度快，逆变器输出电压与电网参考电压基本一致。以下将结合附图对本技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本技术的目的、特征和效果。附图说明图1为本技术的光伏并网系统结构图；图2为本技术的光伏电池的等效模型；图3为本技术的双核FPGA系统功能框图；图4是本技术的逆变电路图；图5为本技术的核1主程序流程图；图6为本技术的逆变器SPWM控制结构图；图7为本技术的锁相环结构图；图8为本技术的前级采样电路；图9为本技术的继电器并网开关电路；图10为本技术的核1主程序功能框图；图11为本技术的SPWM模块框图；图12为本技术的CAP捕获流程图；图13为本技术的MPPT程序流程图；图14为本技术的AD采样流程图；图15为本技术的孤岛程序流程图；图16为本技术的双核通信原理框图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本技术作进一步说明。一种基于FPGA的光伏并网系统，其结如图1所示。系统主要包括如下装置：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、DC/DC变换电路的输出电压信息以及系统输出电压、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。光伏发电本文档来自技高网...

【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；所述光伏电池PV的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系统输出电压、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。

【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；所述光伏电池PV的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系统输出电压、电流信息，通过自定义驱动和...

【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：新型
国别省市：上海,31