基于DSP和FPGA的一种新型光伏并网控制方法

摘要：基于数字信号处理器(DSP)与现场可编程门阵列(FPGA)，提出了一种适合光伏并网系统的新型控制方法，并设计了相应的控制器。DSP负责电压外环控制以及最大功率点跟踪(MPPT)控制；FPGA负责带电压前馈的电流内环控制和正弦脉宽调制(SPWM)驱动算法；DSP与FPGA之间通过串行外设接口SPI总线通讯。该控制结构不仅高度模块化、稳定可靠，而且实现了三相电流独立控制。最后进行了仿真验证，并实际应用在某500 kW光伏并网逆变器中，仿真和现场试验结果表明，并网运行性能良好。
关键词：光伏并网；数字信号处理器；现场可编程门阵列

1 引言
    在光伏并网发电领域，控制系统主要基于DSP芯片进行设计。由于该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，可能对逻辑信号造成一定延时，导致程序运行出现故障的几率增加。故采用DSP单一处理器来设计系统存在一定的缺陷。FPGA可根据实际控制需要灵活配置其内部具体逻辑电路功能，有利于实现功能模块化，提高系统的可靠性。而DSP在实时数据处理速度与系统控制方面存在明显的优势。因此，如何将DSP快速运算的实时性与FPGA的高可靠性相结合，并以此结构来设计光伏并网控制系统，具有重要意义。

2 控制方案
    提出一种基于DSP和FPGA双处理器结构的单级三相光伏并网控制方案，其结构如图1所示。

    光伏并网系统主要包括主电路、DSP控制器和FPGA控制器三部分。主电路工作原理为：三相逆变器在DSP和FPGA双CPU结构的光伏并网控制器的控制下，发出SPWM信号来驱动三相逆变器工作，将光伏阵列输出的直流电压逆变为三相交流电压，通过滤波电路滤波后并入电网；DSP控制器负责电压外环控制及MPPT控制，且通过串行外部接口SPI总线将光伏阵列的输出电压Upv及三相给定电流信号iaref，ibref，icref高速传输给FPGA控制器，然后通过带电压前馈的电流内环控制和SPWM驱动算法给三相逆变器的a，b，c相上下桥臂发出6路脉冲驱动信号。
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2．1 DSP控制器
    DSP控制器实现的功能包括锁相环(PLL)算法、MPPT算法、直流母线电压PI调节器、d，q坐标系到a，b，c坐标系的变换及SPI通信。
    具体工作过程为：DSP芯片首先通过采样电路采集电网a，b，c三相电压信号ea，eb，ec及Upv和光伏阵列输出电流Ipv；然后根据Upv和Ipv，采用常用的MPPT算法，即扰动观察法，求取光伏阵列最大功率点参考电压Uref；接着将Upv与Uref作差后，通过直流母线电压PI调节器计算得到最大功率点跟踪电流Idref，同时为保证逆变器输出电流与电网电压同相位，在d，q矢量旋转坐标系中，设置q轴参考电流，Iqref =0；进一步利用电网电压矢量旋转角度θ，将d轴参考电流Idref和q轴参考电流Iqref通过d，q坐标系变换到a，b，c坐标系，得到iaref，ibref，icref；最后通过SPI总线将信号ea，eb，ec，iaref，ibref，icref，Upv，ia，ib，ic高速传输给FPGA芯片。这里给出SPI的通讯初始化程序：
   
2．2 FPGA控制器
    为提高系统的模块化程度和可靠性，系统针对a，b，c三相电流信号分别采用3个独立的FPGA控制器，得到用于驱动三相逆变器a，b，c相上下桥臂的6路脉冲驱动信号。
    具体工作原理：第一块FPGA处理器根据iaref与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ua1，再将ua1与Upv通过SPWM算法，得到光伏并网逆变器a相上、下桥臂的驱动信号PWM1，PWM2。b，c相的工作原理与a相相同。

3 仿真与实验验证
3．1 仿真验证
    为验证所提出的控制方法的有效性，基于Matlab／Simulink&SimPowerSystem构建500 kW光伏并网系统仿真平台，并进行仿真验证。[!--empirenews.page--]
    仿真参数：标准环境(辐照度为1 000 W／m2，环境温度为25℃)条件下，500 kW光伏阵列的最大功率点电压650 V；最大功率点电流769 A；短路电流980 A；开路电压1 kV；直流母线电容C=0．022 7 F；滤波器电感L=0．3 mH；滤波器电阻R=0．03 Ω；直流母线电压PI调节器中比例、积分系数分别为0．2和15：3个FPGA控制器中的电流PI调节器参数均相同，其比例、积分系数为5 000和1 000；逆变器输出电流采样频率及其开关频率均为3 kHz。仿真波形如图2所示。

    在t=0．2 s时刻，并网逆变器开始启动运行，Upv在MPPT算法的作用下从开路电压1 kV开始逐渐下降，经过约0．55 s进入稳态，整个过程中Upv跟踪Uref效果良好。Ipv由零开始逐渐增加，经过约0．55 s达到稳态值。光伏阵列输出直流功率Pdc和光伏并网逆变器输出交流功率Pac均由零逐渐增加，经过约0．55 s达到额定值500 kW，且整个启动过程及稳态情况下，Pdc与Pac近似相等。从0．2 s系统启动开始，ia由零逐渐增加，直至达到电流额定值，且其始终与电网电压ea同频同相。ia的总谐波畸变率THD仅在系统初始启动瞬间较大，一旦系统进入稳态，其THD迅速降至5％以内，满足电网谐波标准。
3．2 实验验证
    为进一步验证所提控制方法的有效性，基于TMS320F2812型DSP和EP2C5T144C8型FPGA主控芯片研制相应的控制器，实际应用于某500 kW
光伏并网逆变器中，其主要电路参数：满载MPPT电压Udc为450～820V，直流母线电容为112．8 mF，直流母线启动电压470 V，额定输出功率为500 kW。
    现场并网运行ua和ia波形如图3所示。

    可见，ia与ua同频、同相，证明了所提出的控制方法并网运行性能良好。

4 结论
    基于DSP与FPGA，提出了一种适合光伏并网系统的新型控制方法，设计了相应的控制器，并给出了仿真和现场试验效果，可见该控制方案具有以下突出优点：①系统稳定可靠。通过将电压外环控制及最大功率跟踪控制置于DSP芯片内，将带电压前馈的电流内环控制和SPWM驱动算法置于FPGA芯片内，且DSP与FPGA之间通过SPI总线使DSP快速运算的实时性和FPGA的高可靠性有机融为一体；②系统高度模块化。通过DSP控制器给出各相给定电流信号，且将三相电流控制分别置于3个FPGA控制器内，分解为3个单相电流控制，使各相电流控制之间相互独立，同时由于此3个FPGA控制器完全相同，便于即插即用，使系统的模块化程度更高。