专利名称：一种单级三相光伏并网系统的新型控制方法
技术领域：
本发明涉及一种单级三相光伏并网系统的新型控制方法，属于光伏发电系统控制技术应用领域。
背景技术：
目前在光伏并网发电领域，控制系统主要基于DSP芯片来设计，由于DSP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芯片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，如方波信号，造成一定的延时，导致程序运行故障的几率增加。而在各种控制系统中应用越来越广泛的现场可编程门阵列FPGA则可根据实际控制需要灵活配置其内部的具体逻辑电路功能，有利于实现功能模块化，提高系统的可靠性。因此，如何将DSP快速运算的实时性和FPGA的高可靠性融为一体，并以 此DSP和FPGA双处理器硬件结构来综合设计单级三相光伏并网控制系统具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提出一种高可靠性、高度模块化且各相电流独立调节的单级三相光伏并网系统的新型控制方法。该发明方法的特征在于首先通过数字信号处理器DSP进行光伏阵列最大功率点跟踪和电压外环控制并通过串行外围接口 SPI通信给第一 FPGA处理器发送A相给定电流信号ia,ef，给第二 FPGA处理器发送B相给定电流信号ifcef，给第三FPGA处理器发送C相给定电流信号iraef ;然后通过第一可编程逻辑门阵列FPGA处理器进行A相电流内环控制和正弦脉宽调制后给光伏并网逆变器A相上、下桥臂发送驱动信号；通过第二 FPGA处理器进行B相电流内环控制和正弦脉宽调制后给光伏并网逆变器B相上、下桥臂发送驱动信号；通过第三FPGA处理器进行C相电流内环控制和正弦脉宽调制后给光伏并网逆变器C相上、下桥臂发送驱动信号。本发明是通过以下技术方案实现
步骤I利用数字信号DSP处理器检测市电电网的A、B、C三相电压信号ea、eb和以及光伏阵列输出电压Upv和电流ipv ；
步骤2利用第一可编程逻辑门阵列FPGA处理器检测光伏并网逆变器输出的A相电流信号ia，利用第二 FPGA处理器检测光伏并网逆变器输出的B相电流信号ib，利用第三FPGA处理器检测光伏并网逆变器输出的的C相电流信号i。；
步骤3在DSP处理器内，首先根据光伏阵列输出电压Upv和电流ipv采用常用的最大功率点跟踪MPPT方法——扰动观察法，求得光伏阵列最大功率点参考电压uMf ;然后将光伏阵列输出电压Upv与光伏阵列最大功率点参考电压uMf的差值经过电压比例积分PI调节器后得到逆变器输出的d轴参考电流idMf ;接着根据市电电网的A、B、C三相电压信号ea、eb和e。通过锁相环PLL方法求出电网电压矢量旋转角度0 ;最后，为使逆变器输出电流与电网电压同相位，设置逆变器输出的q轴参考电流iV6f=0，并利用电网电压矢量旋转角度e将逆变器输出的d轴参考电流idMf和逆变器输出的q轴参考电流iff6f进行dq矢量旋转坐标系到abc三相静止坐标系的变换，得到A相给定电流信号ia,ef、B相给定电流信号“…和C相给定电流信号i_f ;
步骤4 DSP处理器通过串行外围接口 SPI通信将A相给定电流信号iaMf和市电电网的A相电压信号ea传输给第一 FPGA处理器,将B相给定电流信号ibref和市电电网的B相电压信号eb传输给第二 FPGA处理器,将C相给定电流信号iraef和市电电网的C相电压信号ec传输给第三FPGA处理器，将光伏阵列输出电压Upv传输给第一、第二和第三FPGA处理器；步骤5第一 FPGA处理器根据A相给定电流信号ia,ef和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比例积分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Ual ;然后根据A相电压调制信号Ual和光伏阵列输出电压Upv通过正弦脉宽调制SPWM算法得到光伏并网逆变器A相上桥臂的驱动信号PWMl和A相下桥臂的驱动 信号PWM2 ；
步骤6第二 FPGA处理器根据B相给定电流信号ib,ef和光伏并网逆变器输出的B相电流信号ib的差值通过第二电流比例积分PI调节器后与市电电网的B相电压信号eb相加得到B相电压调制信号Ubl ;然后根据B相电压调制信号Ubl和光伏阵列输出电压Upv通过正弦脉宽调制SPWM算法得到光伏并网逆变器B相上桥臂的驱动信号PWM3和B相下桥臂的驱动信号PWM4 ；
步骤7第三FPGA处理器根据C相给定电流信号iraef和光伏并网逆变器输出的C相电流信号i。的差值通过第三电流比例积分PI调节器后与市电电网的C相电压信号ec相加得到C相电压调制信号Uca ;然后根据C相电压调制信号Ucl和光伏阵列输出电压Upv通过正弦脉宽调制SPWM算法得到光伏并网逆变器C相上桥臂的驱动信号PWM5和C相下桥臂的驱动信号PWM6。本发明与现有技术相比，具有以下有益效果
1)高可靠性。数字信号处理器DSP负责光伏阵列最大功率点跟踪和电压外环控制，第一 FPGA处理器负责A相电流内环控制和正弦脉宽调制算法，第二 FPGA处理器负责B相电流内环控制和正弦脉宽调制算法，第三FPGA处理器负责C相电流内环控制和正弦脉宽调制算法，且DSP通过串行外围接口 SPI分别与第一、第二、第三FPGA处理器之间高速通信，如此则充分将DSP的快速运算性能和FPGA的高可靠性有机融为一体，使整个单级三相光伏并网控制系统具有闻可罪性；
2)高度模块化。由于数字信号处理器DSP负责光伏阵列最大功率点跟踪和电压外环控制，第一 FPGA处理器负责A相电流内环控制和正弦脉宽调制算法，第二 FPGA处理器负责B相电流内环控制和正弦脉宽调制算法，第三FPGA处理器负责C相电流内环控制和正弦脉宽调制算法，因此整个单级三相光伏并网控制系统各部分控制功能的模块化程度非常高。3)各相电流独立调节。由于将三相电流控制分解为A相电流单独控制、B相电流单独控制和C相电流单独控制，且A相电流控制功能单独采用第一 FPGA处理器进行实现，B相电流控制功能单独采用第二 FPGA处理器进行实现，C相电流控制功能单独采用第三FPGA处理器进行实现，从而实现了单级三相光伏并网控制系统的各相电流独立调节。
图I为单级三相光伏并网系统的新型控制框图。
具体实施例方式为提高单级三相光伏并网控制系统的可靠性和模块化程度，本发明方法的核心为由数字信号处理器DSP负责光伏阵列最大功率点跟踪和电压外环控制，由第一 FPGA处理器负责A相电流内环控制和正弦脉宽调制算法，由第二 FPGA处理器负责B相电流内环控制和正弦脉宽调制算法，由第三FPGA处理器负责C相电流内环控制和正弦脉宽调制算法，且DSP通过串行外围接口 SPI分别与第一、第二、第三FPGA处理器之间高速通信，如此则充分将DSP的快速运算性能和FPGA的高可靠性有机融为一体，且实现各相电流独立调节。
本发明具体是通过以下技术方案实现
步骤I利用数字信号DSP处理器检测市电电网的A、B、C三相电压信号ea、eb和以及光伏阵列输出电压Upv和电流ipv ；
步骤2利用第一可编程逻辑门阵列FPGA处理器检测光伏并网逆变器输出的A相电流信号ia，利用第二 FPGA处理器检测光伏并网逆变器输出的B相电流信号ib，利用第三FPGA处理器检测光伏并网逆变器输出的的C相电流信号i。；
步骤3在DSP处理器内，首先根据光伏阵列输出电压Upv和电流ipv采用常用的最大功率点跟踪MPPT方法——扰动观察法，求得光伏阵列最大功率点参考电压uMf ;然后将光伏阵列输出电压Upv与光伏阵列最大功率点参考电压uMf的差值经过电压比例积分PI调节器后得到逆变器输出的d轴参考电流idMf ;接着根据市电电网的A、B、C三相电压信号ea、eb和e。通过锁相环PLL方法求出电网电压矢量旋转角度0 ;最后，为使逆变器输出电流与电网电压同相位，设置逆变器输出的q轴参考电流iV6f=0，并利用电网电压矢量旋转角度e将逆变器输出的d轴参考电流idMf和逆变器输出的q轴参考电流iff6f进行dq矢量旋转坐标系到abc三相静止坐标系的变换，得到A相给定电流信号ia,ef、B相给定电流信号“…和C相给定电流信号i_f ;
步骤4 DSP处理器通过串行外围接口 SPI通信将A相给定电流信号iaMf和市电电网的A相电压信号ea传输给第一 FPGA处理器,将B相给定电流信号ibref和市电电网的B相电压信号eb传输给第二 FPGA处理器,将C相给定电流信号iraef和市电电网的C相电压信号ec传输给第三FPGA处理器，将光伏阵列输出电压Upv传输给第一、第二和第三FPGA处理器；
步骤5第一 FPGA处理器根据A相给定电流信号ia,ef和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比例积分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Ual ;然后根据A相电压调制信号Ual和光伏阵列输出电压Upv通过正弦脉宽调制SPWM算法得到光伏并网逆变器A相上桥臂的驱动信号PWMl和A相下桥臂的驱动信号PWM2 ；
步骤6第二 FPGA处理器根据B相给定电流信号ib,ef和光伏并网逆变器输出的B相电流信号ib的差值通过第二电流比例积分PI调节器后与市电电网的B相电压信号eb相加得到B相电压调制信号Ubl ;然后根据B相电压调制信号Ubl和光伏阵列输出电压Upv通过正弦脉宽调制SPWM算法得到光伏并网逆变器B相上桥臂的驱动信号PWM3和B相下桥臂的驱动信号PWM4 ；
步骤7第三FPGA处理器根据C相给定电流信号iraef和光伏并网逆变器输出的C相电流信号i。的差值通过第三电流比例积分PI调节器后与市电电网的C相电压信号e。相加得到C相电压调制信号Ucl ;然后根据C相电压调制信号Ucl和光伏阵列输出电压Upv通过正弦脉宽调制SPWM算法得到光伏并网逆变器C相上桥臂的驱动信号PWM5和C相下桥臂的驱动信号PWM6。由于步骤5、步骤6和步骤7将三相电流控制分解为A相电流单独控制、B相电流单独控制和C相电流单独控制，且A相电流控制功能单独采用第一 FPGA处理器进行实 现，B相电流控制功能单独采用第二 FPGA处理器进行实现，C相电流控制功能单独采用第三FPGA处理器进行实现，从而实现了单级三相光伏并网控制系统的各相电流独立调节。
权利要求
1.一种单级三相光伏并网系统的新型控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤I利用数字信号DSP处理器检测市电电网的A、B、C三相电压信号ea、eb和以及光伏阵列输出电压Upv和电流ipv ； 步骤2利用第一可编程逻辑门阵列FPGA处理器检测光伏并网逆变器输出的A相电流信号ia，利用第二 FPGA处理器检测光伏并网逆变器输出的B相电流信号ib，利用第三FPGA处理器检测光伏并网逆变器输出的的C相电流信号i。； 步骤3在DSP处理器内，首先根据光伏阵列输出电压Upv和电流ipv采用常用的最大功率点跟踪MPPT方法——扰动观察法，求得光伏阵列最大功率点参考电压uMf ;然后将光伏阵列输出电压Upv与光伏阵列最大功率点参考电压uMf的差值经过电压比例积分PI调节器后得到逆变器输出的d轴参考电流idMf ;接着根据市电电网的A、B、C三相电压信号ea、eb和e。通过锁相环PLL方法求出电网电压矢量旋转角度0 ;最后，为使逆变器输出电流与电网电压同相位，设置逆变器输出的q轴参考电流iV6f=0，并利用电网电压矢量旋转角度e将逆变器输出的d轴参考电流idMf和逆变器输出的q轴参考电流iff6f进行dq矢量旋转坐标系到abc三相静止坐标系的变换，得到A相给定电流信号ia,ef、B相给定电流信号“…和C相给定电流信号i_f ; 步骤4 DSP处理器通过串行外围接口 SPI通信将A相给定电流信号iaMf和市电电网的A相电压信号ea传输给第一 FPGA处理器,将B相给定电流信号ibref和市电电网的B相电压信号eb传输给第二 FPGA处理器,将C相给定电流信号iraef和市电电网的C相电压信号ec传输给第三FPGA处理器，将光伏阵列输出电压Upv传输给第一、第二和第三FPGA处理器；步骤5第一 FPGA处理器根据A相给定电流信号ia,ef和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比例积分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Ual ;然后根据A相电压调制信号Ual和光伏阵列输出电压Upv通过正弦脉宽调制SPWM算法得到光伏并网逆变器A相上桥臂的驱动信号PWMl和A相下桥臂的驱动信号PWM2 ； 步骤6第二 FPGA处理器根据B相给定电流信号ib,ef和光伏并网逆变器输出的B相电流信号ib的差值通过第二电流比例积分PI调节器后与市电电网的B相电压信号eb相加得到B相电压调制信号Ubl ;然后根据B相电压调制信号Ubl和光伏阵列输出电压Upv通过正弦脉宽调制SPWM算法得到光伏并网逆变器B相上桥臂的驱动信号PWM3和B相下桥臂的驱动信号PWM4 ； 步骤7第三FPGA处理器根据C相给定电流信号iraef和光伏并网逆变器输出的C相电流信号i。的差值通过第三电流比例积分PI调节器后与市电电网的C相电压信号ec相加得到C相电压调制信号Uca ;然后根据C相电压调制信号Ucl和光伏阵列输出电压Upv通过正弦脉宽调制SPWM算法得到光伏并网逆变器C相上桥臂的驱动信号PWM5和C相下桥臂的驱动信号PWM6。
全文摘要
一种单级三相光伏并网系统的新型控制方法，首先通过数字信号处理器DSP进行光伏阵列最大功率点跟踪、电压外环控制并通过串行外围接口SPI通信给第一、第二和第三可编程逻辑门阵列FPGA处理器分别发送A相给定电流信号iaref、B相给定电流信号ibref和C相给定电流信号icref；然后通过第一FPGA处理器进行A相电流内环控制和正弦脉宽调制后给光伏并网逆变器A相上、下桥臂发送驱动信号；通过第二FPGA处理器进行B相电流内环控制和正弦脉宽调制后给光伏并网逆变器B相上、下桥臂发送驱动信号；通过第三FPGA处理器进行C相电流内环控制和正弦脉宽调制后给光伏并网逆变器C相上、下桥臂发送驱动信号。该方法具有高可靠性、高度模块化且各相电流独立调节的优点。
文档编号H02J3/38GK102751736SQ201210095600
公开日2012年10月24日 申请日期2012年4月1日 优先权日2012年4月1日
发明者丁杰, 吕宏水, 吴福保, 张军军, 秦筱迪, 郑飞, 黄晶生 申请人:中国电力科学研究院, 国网电力科学研究院