基于FPGA的光伏并網(wǎng)復(fù)合控制

王迷迷，鄭英，操鳳萍，張立珍

(東南大學(xué)成賢學(xué)院，江蘇南京210088)

基于FPGA的光伏并網(wǎng)復(fù)合控制

王迷迷，鄭英，操鳳萍，張立珍

(東南大學(xué)成賢學(xué)院，江蘇南京210088)

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)本質(zhì)是跟隨光伏功率和電網(wǎng)電壓的可變交流電源，要求穩(wěn)定性好、動態(tài)性能高。FPGA并行處理、靈活定制的特點(diǎn)能滿足光伏并網(wǎng)控制器對高速度，可靠性高的要求。對基于FPGA光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)行了分析，對FPGA控制核心的實現(xiàn)要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并研制了一臺2 kW的光伏并網(wǎng)逆變器樣機(jī)。并網(wǎng)測試表明，基于FPGA的并網(wǎng)電流反饋電網(wǎng)電壓前饋復(fù)合控制方法，可以實現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，且并網(wǎng)電能質(zhì)量滿足光伏系統(tǒng)并網(wǎng)的國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

復(fù)合控制；SPWM合成；光伏并網(wǎng)；相位跟蹤

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)實際是跟隨光伏功率和電網(wǎng)電壓的可變交流電源，要求穩(wěn)定性好、動態(tài)性能高。光伏并網(wǎng)控制器對逆變器輸出電流或電壓做閉環(huán)控制、驅(qū)動逆變主橋開關(guān)管、高速采樣電網(wǎng)電壓和電流，對發(fā)電系統(tǒng)安全監(jiān)測和快速保護(hù)等多任務(wù)并行處理，均需要在電網(wǎng)周期內(nèi)完成，對處理器的處理能力有較高要求?；趩纹現(xiàn)PGA集成實現(xiàn)并網(wǎng)復(fù)合控制，在降低成本和復(fù)雜度的同時，提高了集成度，固化的邏輯電路速度快、可靠性高[1]，有利于光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性提高，有利于產(chǎn)業(yè)化。研究基于FPGA的光伏并網(wǎng)復(fù)合控制具有實用意義。

1 并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制策略

1.1 并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由功率電路、并網(wǎng)控制器、設(shè)備管理器等組成。功率電路由光伏陣列、儲能穩(wěn)壓器、并網(wǎng)逆變器、濾波器、變壓器、并網(wǎng)開關(guān)、并網(wǎng)變壓器組成。

并網(wǎng)控制器FPGA實現(xiàn)對并網(wǎng)參量的復(fù)合控制、逆變器主橋驅(qū)動、電壓電流參量檢測、安全保護(hù)等；設(shè)備管理器MCU通過localbus或SPI總線與FPGA連接，對FPGA內(nèi)的寄存器進(jìn)行參數(shù)配置和調(diào)試、設(shè)備環(huán)境管理，并與遠(yuǎn)程監(jiān)控器通信。

圖1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 并網(wǎng)控制策略

電流型并網(wǎng)將并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)視為一個受控電流源，電網(wǎng)視為理想電壓源，兩者并聯(lián)后電壓跟隨電網(wǎng)電壓，因此只要控制并網(wǎng)逆變器輸出的電流與電網(wǎng)電壓同頻率同相，就能實現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行[2]。光伏陣列輸出直流母線設(shè)有蓄電池等儲能穩(wěn)壓裝置，逆變器輸入端的直流電壓范圍相對穩(wěn)定，波動速度較低。為獲得持續(xù)穩(wěn)定功率輸出，在較短時間內(nèi)可近似為恒定目標(biāo)控制，采用PI控制可有效消除輸出靜差，同時采取輸出限幅措施抑制超調(diào)，采取較高的逆變開關(guān)頻率提升動態(tài)性能，以獲得較高的控制精度。電網(wǎng)電壓通過并網(wǎng)變壓器耦合到逆變器輸出端，會對逆變器輸出電流造成擾動[3]，造成波形畸變，引入電網(wǎng)電壓前饋[4]，消除逆電網(wǎng)電壓的影響。采用的SPWM控制有利于輸出電流波形標(biāo)準(zhǔn)正弦化，恒定載波開關(guān)噪聲頻率可控，有利于濾波器設(shè)計和減小諧波。

綜上分析，采用恒定頻率載波SPWM驅(qū)動的電流型并網(wǎng)和電流反饋電網(wǎng)電壓前饋的PI算法復(fù)合控制策略，具有較好的動靜態(tài)特性，并易于實現(xiàn)?？刂平Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 并網(wǎng)控制策略示意圖

2 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

并網(wǎng)復(fù)合控制器FPGA內(nèi)部主要包括復(fù)合控制模塊、SPWM合成模塊、電網(wǎng)相位跟蹤模塊、電壓電流采樣模塊、SPI配置接口模塊等，功能組成如圖3所示。

圖3 并網(wǎng)控制器功能組成框圖

主要工作原理：相位跟蹤模塊跟隨電網(wǎng)頻率和相位，為并網(wǎng)電流生成提供相位基準(zhǔn)；復(fù)合控制器根據(jù)當(dāng)前給定Iref、前饋電壓和反饋電流值計算出當(dāng)前輸出電流控制量Ispwm；SPWM模塊根據(jù)Ispwm調(diào)節(jié)正弦調(diào)制波，在相位跟隨模塊提供的相位基準(zhǔn)脈沖的觸發(fā)下，合成SPWM信號驅(qū)動逆變主橋，得到與電網(wǎng)同頻同相的正弦并網(wǎng)電流。這里重點(diǎn)介紹光伏并網(wǎng)的相位跟蹤、SPWM合成、復(fù)合控制這3個關(guān)鍵功能模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。

2.1 相位跟蹤模塊設(shè)計

并網(wǎng)電流對電網(wǎng)電壓相位同步跟蹤準(zhǔn)確性極其關(guān)鍵，若發(fā)電系統(tǒng)失步會造成并網(wǎng)設(shè)備與電網(wǎng)間存在環(huán)流，損壞設(shè)備。相位跟蹤模塊用于跟蹤電網(wǎng)頻率和相位，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示，輸入為外部電網(wǎng)電壓鑒相電路送入FPGA的工頻周期脈沖GridPulse，輸出為用于建立SPWM正弦調(diào)制波的相位基準(zhǔn)脈沖CLKgrid。每個工頻周期擬用2 000個點(diǎn)離散值跟蹤電網(wǎng)電壓相位建立正弦調(diào)制波，因此CLKgrid的頻率為F=50 Hz×2 000=100 kHz。

相位跟蹤模塊工作原理：用FPGA系統(tǒng)時鐘Sysclk(80 MHz)對電網(wǎng)工頻脈沖GridPulse計時，得每個工頻周期計數(shù)值GridPeriod(取值范圍為80 MHz/55 Hz～80 MHz/45 Hz)；以2 π/2 000為步長跟隨電網(wǎng)電壓相位在每個工頻期(0～2 π)內(nèi)建立2 000個脈沖。第1個工頻周期前半波按Tstep0=20 ms/2 000步長產(chǎn)生觸發(fā)脈沖CLKgrid，每前半波完成時，按前半波計時值刷新步長Tstep1=GridPeriod/1 000，產(chǎn)生后半波1 000個脈沖；每全波計時完成時，按上個周期計數(shù)值動態(tài)更新步長(Tstep2=GridPeriod/2 000)，產(chǎn)生下一個工頻周期前半波1 000個脈沖；這樣就結(jié)合上個工頻周期和本工頻周期的計數(shù)值動態(tài)刷新得到了與電網(wǎng)電壓相位同步的脈沖序列，比按全波周期計時刷新更準(zhǔn)確，動態(tài)性能更好。

圖4 相位跟蹤模塊邏輯結(jié)構(gòu)

2.2 SPWM合成模塊設(shè)計

帶死區(qū)的SPWM發(fā)生器由正弦調(diào)制波發(fā)生器、三角載波發(fā)生器、SPWM合成器、死區(qū)發(fā)生器等組成，如圖5所示。

SPWM信號有兩個重要參數(shù)：載波比和調(diào)制比，載波比是三角載波的頻率與正弦調(diào)制波的比值，決定了SPWM信號的脈沖寬度和正弦化的接近程度，這里取值N=20 kHz/50 Hz=400。調(diào)制比是調(diào)制波幅值與三角載波幅度的比值，通過調(diào)制比改變輸出功率大小，本設(shè)計中取M=0.4～0.8。

SPWM合成模塊波形分析如圖6所示。調(diào)制波生成器工作原理：用查表法生產(chǎn)，數(shù)據(jù)存在FPGA外擴(kuò)ROM中，在設(shè)備開啟時將數(shù)據(jù)搬運(yùn)到FPGA的RAM中運(yùn)行，以提高存取速度；在電網(wǎng)相位跟蹤模塊輸出的基準(zhǔn)脈沖CLKgrid觸發(fā)下讀取RAM中的正弦數(shù)值，即可生成與電網(wǎng)同頻同相的正弦調(diào)制波。幅值為A(取值范圍[400，800])的正弦調(diào)制波在相位基準(zhǔn)脈沖CLKgrid觸發(fā)下每個電網(wǎng)電壓工頻周期內(nèi)以2 000個離散點(diǎn)生成。按reg[15:0]SinMem[23:0]格式定義存儲空間，按如下組織方式存儲數(shù)據(jù)。

圖6 正弦調(diào)制波建立與SPWM合成模塊波形分析圖

式中：A為正弦調(diào)制波幅值，由當(dāng)復(fù)合控制器輸出的控制量Ispwm確定；k為基頻脈沖CLKgrid賦在電網(wǎng)電壓工頻周期內(nèi)的第k個脈沖序列。

三角載波生成器工作原理：三角載波頻率設(shè)為20 kHz，在系統(tǒng)時鐘Sysclk(80 MHz)的觸發(fā)下，按式(2)循環(huán)生成。

SPWM發(fā)生器工作原理：在基準(zhǔn)脈沖CLKgrid觸發(fā)下實時比較TriData和SinData的數(shù)值，按式(3)和式(4)規(guī)則得到兩路相位相反的SPWM信號(圖5中的SPWM01和SPWM02)。

死區(qū)發(fā)生器建立1 ms的死區(qū)時間信號DeadArea與SPWM01和SPWM02相與得到帶死區(qū)的雙路SPWM信號分別驅(qū)動逆變主橋的同一橋臂的上下功率管。

2.3 復(fù)合控制模塊實現(xiàn)

復(fù)合控制模塊實現(xiàn)綜合并網(wǎng)電流反饋和電網(wǎng)電壓前饋的PI調(diào)節(jié)器計算并做標(biāo)準(zhǔn)化輸出。由圖2復(fù)合控制結(jié)構(gòu)可知前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)應(yīng)是執(zhí)行器(包括逆變器、濾波器)傳遞函數(shù)的倒數(shù)，才可消除電網(wǎng)帶來的擾動。為簡化計算可將執(zhí)行器視為一階慣性環(huán)節(jié)[5]，則前饋補(bǔ)償傳遞函數(shù)可以近似為一階微分加比例，其離散化表達(dá)式為：

Vk和Vk－1為當(dāng)前時刻和前一時刻的電網(wǎng)電壓的采樣值。將PI控制輸出與電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償輸出相加，得到并網(wǎng)電流的復(fù)合控制算式：

式中：Kp，Ki，λ分別為比例系數(shù)，積分系數(shù)，補(bǔ)償系數(shù)。I(k)為并網(wǎng)電流輸出值。

設(shè)計復(fù)合控制計算狀態(tài)機(jī)對以上算式計算、限幅，分為10個步驟可完成一次復(fù)合控制輸出，狀態(tài)機(jī)動作定義如表1所示。因涉及到乘法運(yùn)算，防止數(shù)據(jù)溢出，在具體邏輯設(shè)計時，各運(yùn)算寄存器應(yīng)保持足夠的位寬，建議定義為64位。

3 實驗驗證

基于本文方案研制了一臺2 kW的并網(wǎng)逆變器樣機(jī)，主要規(guī)格參數(shù)如表2所示。

逆變器輸入端用蓄電池陣列儲能穩(wěn)壓，實際測得逆變器輸入端直流電壓約為360 V。對樣機(jī)的關(guān)鍵控制信號進(jìn)行測試，結(jié)果如圖7所示。

???????????????????????STATE OPERATION 0xA0 All reg reset 0xA1 Read IPI(k?1)?V(k)?V(k?1)?I(k)?I(k?1)?E(k)?E(k?1)0xA2E(k)=I(k)?I(k?1)0xA3 ?Ek=Ek?E(k?1)?RegV=2V(k)?V(k?1)0xA4 RegP=Kp?E(k)?RegI=KiE(k)?RegV=?RegV0xA5 RegPI=IPI(k?1)+ RegI0xA6 RegCTL= RegPI+ RegV 0xA7E(k?1)= E(k)?I(k?1)=I(k)?V(k?1)=V(k)?IPI(k?1)=RegPI 0xA8 Make sure Ictrl_min?RegCTL?Ictrl_max 0xA9 OUTPUT?Ispwm_REG=RegCTL 0xAA STOP????????????????????????????? ?? ??????? W 1 800???? VA 2 200??????? Hz 240～420??????? Hz 20 000???? ?? Hz 200!"???#$ 1 0.5!"??%&’( 1 1?"??)&’( 1 0.5

圖7 測試波形

相位跟隨波形如圖7(a)所示，可以看出相位檢測信號能夠準(zhǔn)確跟隨電網(wǎng)電壓相位；SPWM信號波形如圖7(b)所示，SPWM_a和SPWM_b分別驅(qū)動同一橋臂的上下管；死區(qū)波形如圖7(c)所示，死區(qū)1 ms;濾波后的SPWM波形如圖7(d)所示，可見帶死區(qū)的SPWM呈標(biāo)準(zhǔn)正弦規(guī)律且相位相反。并網(wǎng)輸出電流和電網(wǎng)電壓波形如圖7(e)所示，可以看出并網(wǎng)時在并網(wǎng)逆變器與并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。

額定功率并網(wǎng)時，在并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)公共連接處(即并網(wǎng)變壓器輸出端)用電能質(zhì)量分析儀進(jìn)行對電網(wǎng)電壓、頻率、功率因素、總諧波電流失真(THD)等主要參量進(jìn)行測量20次，取平均值，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表3所示，可以看出并網(wǎng)后的電能質(zhì)量滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，具備并網(wǎng)條件。

???????????????????????? ??? ?????????/V 230(?10%?+7%) 221.96????/Hz 50–0.5 50.16???? 0.9～1 0.998THD/% 5 1.362???????GB-T 19939-2005?

4 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了基于FPGA集成相位跟蹤、SPWM驅(qū)動、控制算法等關(guān)鍵模塊的控制方案，實現(xiàn)了恒定頻率載波SPWM驅(qū)動的電流型并網(wǎng)和電流反饋電網(wǎng)電壓前饋的PI算法復(fù)合控制。對研制的光伏并網(wǎng)逆變器樣機(jī)做并網(wǎng)測試，結(jié)果表明基于FPGA實現(xiàn)的各控制信號正確，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，且并網(wǎng)電能質(zhì)量滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，具備較好的實用參考意義。

[1]趙耀，趙庚申，陳曦，等.基于FPGA的光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)的研究[J].南開大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，46(2)：49-53.

[2]鄭飛，費(fèi)樹岷，周杏鵬，等.基于FPGA數(shù)字鎖相環(huán)的光伏并網(wǎng)控制[J].電力電子技術(shù)，2010，44(6)：53-54.

[3]鄭翔驥，陳道煉.基于軟件鎖相技術(shù)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)基準(zhǔn)正弦電路[J].電力自動化設(shè)備，2009，29(6)：102-105.

[4]趙清林，郭小強(qiáng)，鄔偉揚(yáng).單相逆變器并網(wǎng)控制技術(shù)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2007，27(16)：60-64.

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Photovoltaic grid-connection compound control based on FPGA

WANG Mi-mi,ZHENG Ying,CAO Feng-ping,ZHANG Li-zhen
(Chengxian College,Southeast University,Nanjing Jiangsu 210088,China)

Actually,photovoltaic grid system is a variable AC power following photovoltaic power and grid voltage,requiring good stability and high dynamic performance.The characteristics of parallel processing and flexible customization of FPGA can satisfy the requirements of photovoltaic grid-connected controller for high speed and reliability.PV grid-connected system structure and control strategy were analyzed,then key points of PV grid-connected control core based on FPGA were set forth.A 2 kW PV grid-connected inverter prototype was developed.Tests show that the feed-forward compound control for power grid current feedback grid voltage based on FPGA could keep the same frequency and phase of the inverter output current with the grid voltage,and the power quality meets the national standard requirements.

compound control;SPWM synthesis;PV grid-connection;phase tracking

TM 615

A

1002-087 X(2016)08-1665-04

2016-01-24

王迷迷(1984—)，女，江蘇省人，碩士，講師，主要研究方向為測控系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。