基于FPGA的光伏并网复合控制

王迷迷，郑英，操凤萍，张立珍

(东南大学成贤学院，江苏南京210088)

基于FPGA的光伏并网复合控制

王迷迷，郑英，操凤萍，张立珍

(东南大学成贤学院，江苏南京210088)

光伏并网系统本质是跟随光伏功率和电网电压的可变交流电源，要求稳定性好、动态性能高。FPGA并行处理、灵活定制的特点能满足光伏并网控制器对高速度，可靠性高的要求。对基于FPGA光伏并网系统结构和控制策略进行了分析，对FPGA控制核心的实现要点进行了详细阐述，并研制了一台2 kW的光伏并网逆变器样机。并网测试表明，基于FPGA的并网电流反馈电网电压前馈复合控制方法，可以实现并网电流与电网电压同频同相，且并网电能质量满足光伏系统并网的国家标准要求。

复合控制；SPWM合成；光伏并网；相位跟踪

光伏并网系统实际是跟随光伏功率和电网电压的可变交流电源，要求稳定性好、动态性能高。光伏并网控制器对逆变器输出电流或电压做闭环控制、驱动逆变主桥开关管、高速采样电网电压和电流，对发电系统安全监测和快速保护等多任务并行处理，均需要在电网周期内完成，对处理器的处理能力有较高要求。基于单片FPGA集成实现并网复合控制，在降低成本和复杂度的同时，提高了集成度，固化的逻辑电路速度快、可靠性高[1]，有利于光伏发电系统的稳定性和动态性提高，有利于产业化。研究基于FPGA的光伏并网复合控制具有实用意义。

1 并网系统结构与控制策略

1.1 并网系统结构

光伏并网系统结构如图1所示，由功率电路、并网控制器、设备管理器等组成。功率电路由光伏阵列、储能稳压器、并网逆变器、滤波器、变压器、并网开关、并网变压器组成。

并网控制器FPGA实现对并网参量的复合控制、逆变器主桥驱动、电压电流参量检测、安全保护等；设备管理器MCU通过localbus或SPI总线与FPGA连接，对FPGA内的寄存器进行参数配置和调试、设备环境管理，并与远程监控器通信。

图1 光伏并网系统结构图

1.2 并网控制策略

电流型并网将并网发电系统视为一个受控电流源，电网视为理想电压源，两者并联后电压跟随电网电压，因此只要控制并网逆变器输出的电流与电网电压同频率同相，就能实现并网运行[2]。光伏阵列输出直流母线设有蓄电池等储能稳压装置，逆变器输入端的直流电压范围相对稳定，波动速度较低。为获得持续稳定功率输出，在较短时间内可近似为恒定目标控制，采用PI控制可有效消除输出静差，同时采取输出限幅措施抑制超调，采取较高的逆变开关频率提升动态性能，以获得较高的控制精度。电网电压通过并网变压器耦合到逆变器输出端，会对逆变器输出电流造成扰动[3]，造成波形畸变，引入电网电压前馈[4]，消除逆电网电压的影响。采用的SPWM控制有利于输出电流波形标准正弦化，恒定载波开关噪声频率可控，有利于滤波器设计和减小谐波。

综上分析，采用恒定频率载波SPWM驱动的电流型并网和电流反馈电网电压前馈的PI算法复合控制策略，具有较好的动静态特性，并易于实现。控制结构如图2所示。

图2 并网控制策略示意图

2 关键技术实现

并网复合控制器FPGA内部主要包括复合控制模块、SPWM合成模块、电网相位跟踪模块、电压电流采样模块、SPI配置接口模块等，功能组成如图3所示。

图3 并网控制器功能组成框图

主要工作原理：相位跟踪模块跟随电网频率和相位，为并网电流生成提供相位基准；复合控制器根据当前给定Iref、前馈电压和反馈电流值计算出当前输出电流控制量Ispwm；SPWM模块根据Ispwm调节正弦调制波，在相位跟随模块提供的相位基准脉冲的触发下，合成SPWM信号驱动逆变主桥，得到与电网同频同相的正弦并网电流。这里重点介绍光伏并网的相位跟踪、SPWM合成、复合控制这3个关键功能模块的设计与实现。

2.1 相位跟踪模块设计

并网电流对电网电压相位同步跟踪准确性极其关键，若发电系统失步会造成并网设备与电网间存在环流，损坏设备。相位跟踪模块用于跟踪电网频率和相位，其逻辑结构如图4所示，输入为外部电网电压鉴相电路送入FPGA的工频周期脉冲GridPulse，输出为用于建立SPWM正弦调制波的相位基准脉冲CLKgrid。每个工频周期拟用2 000个点离散值跟踪电网电压相位建立正弦调制波，因此CLKgrid的频率为F=50 Hz×2 000=100 kHz。

相位跟踪模块工作原理：用FPGA系统时钟Sysclk(80 MHz)对电网工频脉冲GridPulse计时，得每个工频周期计数值GridPeriod(取值范围为80 MHz/55 Hz～80 MHz/45 Hz)；以2 π/2 000为步长跟随电网电压相位在每个工频期(0～2 π)内建立2 000个脉冲。第1个工频周期前半波按Tstep0=20 ms/2 000步长产生触发脉冲CLKgrid，每前半波完成时，按前半波计时值刷新步长Tstep1=GridPeriod/1 000，产生后半波1 000个脉冲；每全波计时完成时，按上个周期计数值动态更新步长(Tstep2=GridPeriod/2 000)，产生下一个工频周期前半波1 000个脉冲；这样就结合上个工频周期和本工频周期的计数值动态刷新得到了与电网电压相位同步的脉冲序列，比按全波周期计时刷新更准确，动态性能更好。

图4 相位跟踪模块逻辑结构

2.2 SPWM合成模块设计

带死区的SPWM发生器由正弦调制波发生器、三角载波发生器、SPWM合成器、死区发生器等组成，如图5所示。

SPWM信号有两个重要参数：载波比和调制比，载波比是三角载波的频率与正弦调制波的比值，决定了SPWM信号的脉冲宽度和正弦化的接近程度，这里取值N=20 kHz/50 Hz=400。调制比是调制波幅值与三角载波幅度的比值，通过调制比改变输出功率大小，本设计中取M=0.4～0.8。

SPWM合成模块波形分析如图6所示。调制波生成器工作原理：用查表法生产，数据存在FPGA外扩ROM中，在设备开启时将数据搬运到FPGA的RAM中运行，以提高存取速度；在电网相位跟踪模块输出的基准脉冲CLKgrid触发下读取RAM中的正弦数值，即可生成与电网同频同相的正弦调制波。幅值为A(取值范围[400，800])的正弦调制波在相位基准脉冲CLKgrid触发下每个电网电压工频周期内以2 000个离散点生成。按reg[15:0]SinMem[23:0]格式定义存储空间，按如下组织方式存储数据。

图6 正弦调制波建立与SPWM合成模块波形分析图

式中：A为正弦调制波幅值，由当复合控制器输出的控制量Ispwm确定；k为基频脉冲CLKgrid赋在电网电压工频周期内的第k个脉冲序列。

三角载波生成器工作原理：三角载波频率设为20 kHz，在系统时钟Sysclk(80 MHz)的触发下，按式(2)循环生成。

SPWM发生器工作原理：在基准脉冲CLKgrid触发下实时比较TriData和SinData的数值，按式(3)和式(4)规则得到两路相位相反的SPWM信号(图5中的SPWM01和SPWM02)。

死区发生器建立1 ms的死区时间信号DeadArea与SPWM01和SPWM02相与得到带死区的双路SPWM信号分别驱动逆变主桥的同一桥臂的上下功率管。

2.3 复合控制模块实现

复合控制模块实现综合并网电流反馈和电网电压前馈的PI调节器计算并做标准化输出。由图2复合控制结构可知前馈补偿环节的传递函数应是执行器(包括逆变器、滤波器)传递函数的倒数，才可消除电网带来的扰动。为简化计算可将执行器视为一阶惯性环节[5]，则前馈补偿传递函数可以近似为一阶微分加比例，其离散化表达式为：

Vk和Vk－1为当前时刻和前一时刻的电网电压的采样值。将PI控制输出与电网电压前馈补偿输出相加，得到并网电流的复合控制算式：

式中：Kp，Ki，λ分别为比例系数，积分系数，补偿系数。I(k)为并网电流输出值。

设计复合控制计算状态机对以上算式计算、限幅，分为10个步骤可完成一次复合控制输出，状态机动作定义如表1所示。因涉及到乘法运算，防止数据溢出，在具体逻辑设计时，各运算寄存器应保持足够的位宽，建议定义为64位。

3 实验验证

基于本文方案研制了一台2 kW的并网逆变器样机，主要规格参数如表2所示。

逆变器输入端用蓄电池阵列储能稳压，实际测得逆变器输入端直流电压约为360 V。对样机的关键控制信号进行测试，结果如图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

图7 测试波形

相位跟随波形如图7(a)所示，可以看出相位检测信号能够准确跟随电网电压相位；SPWM信号波形如图7(b)所示，SPWM_a和SPWM_b分别驱动同一桥臂的上下管；死区波形如图7(c)所示，死区1 ms;滤波后的SPWM波形如图7(d)所示，可见带死区的SPWM呈标准正弦规律且相位相反。并网输出电流和电网电压波形如图7(e)所示，可以看出并网时在并网逆变器与并网电流与电网电压同频同相。

额定功率并网时，在并网逆变器与电网公共连接处(即并网变压器输出端)用电能质量分析仪进行对电网电压、频率、功率因素、总谐波电流失真(THD)等主要参量进行测量20次，取平均值，统计数据如表3所示，可以看出并网后的电能质量满足国家标准要求，具备并网条件。

???????????????????????? ??? ?????????/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 结论

本文详细介绍了基于FPGA集成相位跟踪、SPWM驱动、控制算法等关键模块的控制方案，实现了恒定频率载波SPWM驱动的电流型并网和电流反馈电网电压前馈的PI算法复合控制。对研制的光伏并网逆变器样机做并网测试，结果表明基于FPGA实现的各控制信号正确，并网电流与电网电压同频同相，且并网电能质量满足国家标准要求，具备较好的实用参考意义。

[1]赵耀，赵庚申，陈曦，等.基于FPGA的光伏并网逆变器控制系统的研究[J].南开大学学报：自然科学版，2013，46(2)：49-53.

[2]郑飞，费树岷，周杏鹏，等.基于FPGA数字锁相环的光伏并网控制[J].电力电子技术，2010，44(6)：53-54.

[3]郑翔骥，陈道炼.基于软件锁相技术的光伏并网系统基准正弦电路[J].电力自动化设备，2009，29(6)：102-105.

[4]赵清林，郭小强，邬伟扬.单相逆变器并网控制技术研究[J].中国电机工程学报，2007，27(16)：60-64.

[5]JUNG S L,TZOU Y Y.Discrete sliding-mode control of a PWM inverter for sinusoidal output waveform synthesis with optimal sliding curve[J].IEEE Trans on Power Electronics,1996(11):567-577.

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，江苏省人，硕士，讲师，主要研究方向为测控系统与物联网技术。