一种基于FPGA的光伏并网系统的制作方法

本实用新型涉及新能源技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的光伏并网系统。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本实用新型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I_ph、正向二极管I_d、电容C_j、PN结旁路分流电阻R_sh、串联电阻R_s和负载R_L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FPGA ZedBorad开发板、FPGA SD卡电路设计、FPGA UART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。

本实用新型的优点在于：

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实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本实用新型的光伏并网系统结构图；

图2为本实用新型的光伏电池的等效模型；

图3为本实用新型的双核FPGA系统功能框图；

图4是本实用新型的逆变电路图；

图5为本实用新型的核1主程序流程图；

图6为本实用新型的逆变器SPWM控制结构图；

图7为本实用新型的锁相环结构图；

图8为本实用新型的前级采样电路；

图9为本实用新型的继电器并网开关电路；

图10为本实用新型的核1主程序功能框图；

图11为本实用新型的SPWM模块框图；

图12为本实用新型的CAP捕获流程图；

图13为本实用新型的MPPT程序流程图；

图14为本实用新型的AD采样流程图；

图15为本实用新型的孤岛程序流程图；

图16为本实用新型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实用新型作进一步说明。

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。光伏电池等效模型由等效电流源I_ph、正向二极管I_d、电容C_j、PN结旁路分流电阻R_sh、串联电阻R_s和负载R_L等组成，其电路结构如图2所示。电池模型结构简单，内阻即为电路输出阻抗。

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，其功能框图如图3所示。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FPGA ZedBorad开发板、FPGA SD卡电路设计、FPGA UART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。

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。DC/AC全桥逆变器选择H桥拓扑结构的单相全桥逆变电路，其电路结构如图4所示。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，IRF3710的驱动设计简单、通断切换快、导通电阻小，开关损耗低，从而可提高整体逆变效率。

逆变器驱动电路是整个逆变电路的关键部分，其结构基于SPWM正弦脉宽调制技术设计，并在设计中加入了光耦隔离。其工作原理为：当四路SPWM波输出经两片光耦隔离后，输入到两片专用驱动芯片，输出带驱动能力强的SPWM波，送入逆变桥功率开关器件。采用双通道HCPL-2630芯片实现电压隔离，驱动芯片采用高性能的专用芯片 IR2410，它带双通道，驱动力强，能驱动高压高速的电压驱动型开关管。

FPGA中核1的软件设计主要包括实现对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，核1主程序流程如图5所示。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。

其中逆变器的SPWM控制主要采用电压电流双闭环主动控制，其控制结构如图6 所示。要得到准确的并网电压，需精确的逆变器开关信号。为了提高并网性能，本实用新型采用主动滑模控制方法,对逆变器输出电压电流按电网参考值进行跟踪控制。控制器采用开关切换函数和反馈相结合的形式，假设电网电压、电流参考值和实际输出电压、电流偏差e_u＝u_ref-u_o，e_i＝i_ref(u_u)-i_o。定义滑动面s_u＝e_u，s_i＝e_i，则电压电流两级滑模控制器采用这种形式u_u＝-ρ_usgn(e_u)-k_ue_u，u_i＝-ρ_isgn(e_i)-k_ie_i，其中ρ_u，k_u，ρ_i，k_i均为大于零的常数。与传统的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。

图7为本实用新型的锁相环结构图。由图可知，锁相环主要由数字鉴相器PD、环路滤波器LF以及数字压控振荡器DCO等部分构成负反馈系统，数字鉴相器检测输入信号和反馈信号的相位差，以此调整输出信号的相位，使得输出信号准确跟踪输入信号的频率和相位。首先采样电网频率，经倍频与反馈频率进行比较，数字鉴相器鉴频鉴相得到偏差电压，再经过数字压控振荡器DCO得到电网频率并跟踪锁定电网频率，该频率作为逆变器调制波的频率，调制波与三角波比较得到开关管触发脉冲，从而控制开关管的导通，使得逆变输出的电压与电网电压的频率和相位一致。

Zedboard包含双核Cortex-A9处理器，每个处理器都是完整的ARM子系统，且每个处理器子系统都在片内集成了内存控制器和大量外设，这样ARM核可以单独工作，也可结合FPGA中可编程逻辑单元PL同开发设计。Zedboard开发板上有一个USB转UART 串口，安装Cypress USB-UART的驱动后，访问相应的端口号即可实现USB转UART串口通信。采用Cypress公司的CY7C64225控制器提供了一个非常简单有效的USB转UART 串口方案，片内集成了USB2.0控制器、UART收发器、晶振以及EEPROM等各种功能，并且采用USB接口的Uart控制器使用方便，即插即用而不需要USB转接头。

采样电路设计成多功能采样模式，可切换测电流或测电压的模式，接上相应的管脚短路帽即可切换模式。采样电路需要对光伏电池的电压或电流、直流母线的电压或电流和输出电压和电流等进行分别采样。其中电压或电流信号经过前级电路处理，然后通过隔离采样电路将高电压或大电流转换为弱电压信号，通过线性光耦隔离将电压信号传输给FPGA芯片的XADC端，前级采样电路如图8所示。线性光耦电路主要为了隔离，防止过电流烧毁XADC的采样端。

当逆变器电流追踪到电网电压时，即逆变器电流和电网电压同频同相时，FPGA发出控制信号给并网开关电路，此时继电器吸合，逆变器输出接入公网。此电路中包含型号TLP521.2的隔离光耦，继电器型号HK3FF-DC5V-SH。继电器并网开关电路如图9 所示。

整个系统的程序设计主要包含主程序和中断子程序。主程序主要有：系统频率跟踪、相位跟踪程序设计、SPWM程序设计、双核间通信和液晶实时显示等程序设计。中断服务子程序主要有：定时器中断MPPT程序、ADC中断程序、CAP捕获中断程序和保护中断程序等。FPGA核1主程序功能框图如图10所示。

SPWM波模块使用Xilinx Design Tools中的System Generator工具，在Matlab 中完成设计与仿真，生成SPWM模块的IP核，并加入Vivado工程中。在生成SPWM波过程中，结合先进的直接数字频率合成DDS技术，辅以相应的软硬件平台，可以生成如三角波、正弦波和方波等多种波形。根据SPWM的产生原理，SPWM电路主要有：正弦波模块、载波模块、比较模块和死区模块等，其结构如图11所示。

在Vivado工程设计源文件中添加IP核，系统自动生成通用的、示例的、未添加用户逻辑的三个文件，并且都是用Verilog HDL编写的源文件，分别是设计顶层文件 cap_ip_v1_0、总线信号逻辑文件cap_ip_v1_0_S00_AXI_inst以及总线信号中断文件 cap_ip_v1_0_S00_AXI_INTR_inst。考虑到CAP_IP核的可移植性，这里编写Verilog HDL文件的时候，设置中断使能、中断数目、数据位、地址宽度和触发中断机制等功能。当CAP捕获模块文件编辑完成后，再通过IP Packaging Steps所有的步骤将其封装成IP核。当IP核生成后，在工程中添加指定的IP核路径到工程的库中，即可把 CAP模块加入Vivado工程中。

在生成的CAP的IP核中新增5个寄存器，分别是捕获状态寄存器、捕获电网频率和相位的寄存器、捕获逆变器频率和相位的寄存器。当捕获信号发生变化时，CAP对相应的信号进行判断，并进入相应的中断处理程序比较CAP捕获得到的电网和逆变器频率、相位是否一致，若不一致，则调节SPWM模块的频率字和相位字，然后再比较，如此循环。采用先频率跟踪再相位跟踪的方式，直至输出电流和电网电压完全同频同相，CAP捕获流程图如图12所示。

本系统在定时器中断中实现光伏电池最大功率点跟踪，采用变步长电导增量法，在定时器中断程序中得到光伏电池参考电压与实际电压采样值偏差，通过MPPT算法改变PWM波的占空比，从而在闭环控制Boost电路中实现太阳能光伏阵列MPPT算法的控制。MPPT程序流程图如图13所示。

在闭环系统中，AD模块起着反馈作用，对系统的输出结果进行实时修正。FPGA 内置双12位1Msps数模转换器，最多接受17对差分模拟输入。A/D采样主要完成电压和电流物理量采样：包括电网电压和电流、逆变器电压和电流、直流母线电压和电流以及光伏电池输出的电压和电流等。AD采样流程图如图14所示。FPGA通过AD采样得到由模拟信号到数字信号的数据，由于存在干扰和参考源的不精确，采用数字滤波算法去除干扰，使结果更接近真实值。

同时本实用新型还提供孤岛检测模块。常用的孤岛检测方式有主动式和被动式，主动式常有频率偏移法、相位偏移法和阻抗测量法等。被动式常有电压检测法、电网谐波测量和相位突变检测等方法。本系统采用主动与被动相结合的方式，选用频率偏移法和电压检测法相结合的方法，此种方法可对孤岛效应进行有效的检测。

当系统发生孤岛效应时，电压和频率都会变化，因此采用主动频率扰动加上实时电压检测的方法，对检测到的频率误差大于正负5％，并且额定电压超出-10％到+7％之间，即系统可认定已发生孤岛效应。孤岛保护流程图如图15所示。

本系统包含多个外设模块，除了库中已有模块，也包含自定义外设模块。其中，processing_system7_0为Zynq核心处理器、xadc_wiz_0为ADC采样模块、 rst_processing_sysytem7_0_100M为系统时钟模块、guangfu_system_0为自定义SPWM 波模块、cap_ip_0为自定义捕获模块、pwm_ip为自定义pwm产生模块、 axi_gpio_0～axi_gpio_4为通用GPIO以及processing_system7_0_axi_periph为处理器与外设之间的总线连接桥。当搭建好FPGA硬件底层资源后，需要进行综合、实现以及生成BitStream文件，导入到SDK中进行编程设计。

本系统采用核0运行Linux系统，核1运行光伏并网的非对称异构多处理器机制。核0负责运行Linux系统实现光伏系统远程监测的功能，同时唤醒和监听核1，与核1 进行实时通信。在FPGA中，核0与核1有公有资源(如全局定时器)和私有资源(如私有中断)，而核0与核1通信则通过它们的公有资源OCM。OCM在一块连续的内存中分配资源，它是一块共享内存，需要使用内存映射后的地址来访问。在设备目录下存在 /dev/shm设备文件，通过open函数和mmap函数即可获得共享内存的起始映射地址。

为了让核0与核1之间通信不冲突，这里采用问答机制，即当核1向核0发送数据，核1将发送标志置1，同时发送数据。核0循环读取发送标志，若发送标志置1，即读取数据并清除发送标志。同理，当核1接收核0发送的数据，核0将接收标志置 1，同时发送数据。核1循环读取接收标志，若接收标志置1，即读取数据并清除清除标志。双核通信原理框图如图16所示。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。