專利名稱：一種單級(jí)三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的新型控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單級(jí)三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的新型控制方法，屬于光伏發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前在光伏并網(wǎng)發(fā)電領(lǐng)域，控制系統(tǒng)主要基于DSP芯片來(lái)設(shè)計(jì)，由于DSP芯片都是基于軟件編程來(lái)完成相應(yīng)的控制功能，因此一旦與DSP芯片相配合的外圍電路結(jié)構(gòu)變復(fù)雜后，由于軟件中斷發(fā)生的不確定性，可能對(duì)邏輯信號(hào)，如方波信號(hào)，造成一定的延時(shí)，導(dǎo)致程序運(yùn)行故障的幾率增加。而在各種控制系統(tǒng)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA則可根據(jù)實(shí)際控制需要靈活配置其內(nèi)部的具體邏輯電路功能，有利于實(shí)現(xiàn)功能模塊化，提高系統(tǒng)的可靠性。因此，如何將DSP快速運(yùn)算的實(shí)時(shí)性和FPGA的高可靠性融為一體，并以 此DSP和FPGA雙處理器硬件結(jié)構(gòu)來(lái)綜合設(shè)計(jì)單級(jí)三相光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)具有重要意義。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種高可靠性、高度模塊化且各相電流獨(dú)立調(diào)節(jié)的單級(jí)三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的新型控制方法。該發(fā)明方法的特征在于首先通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器DSP進(jìn)行光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤和電壓外環(huán)控制并通過(guò)串行外圍接口 SPI通信給第一 FPGA處理器發(fā)送A相給定電流信號(hào)ia,ef，給第二 FPGA處理器發(fā)送B相給定電流信號(hào)ifcef，給第三FPGA處理器發(fā)送C相給定電流信號(hào)iraef ;然后通過(guò)第一可編程邏輯門(mén)陣列FPGA處理器進(jìn)行A相電流內(nèi)環(huán)控制和正弦脈寬調(diào)制后給光伏并網(wǎng)逆變器A相上、下橋臂發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)；通過(guò)第二 FPGA處理器進(jìn)行B相電流內(nèi)環(huán)控制和正弦脈寬調(diào)制后給光伏并網(wǎng)逆變器B相上、下橋臂發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)；通過(guò)第三FPGA處理器進(jìn)行C相電流內(nèi)環(huán)控制和正弦脈寬調(diào)制后給光伏并網(wǎng)逆變器C相上、下橋臂發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
步驟I利用數(shù)字信號(hào)DSP處理器檢測(cè)市電電網(wǎng)的A、B、C三相電壓信號(hào)ea、eb和以及光伏陣列輸出電壓Upv和電流ipv ；
步驟2利用第一可編程邏輯門(mén)陣列FPGA處理器檢測(cè)光伏并網(wǎng)逆變器輸出的A相電流信號(hào)ia，利用第二 FPGA處理器檢測(cè)光伏并網(wǎng)逆變器輸出的B相電流信號(hào)ib，利用第三FPGA處理器檢測(cè)光伏并網(wǎng)逆變器輸出的的C相電流信號(hào)i。；
步驟3在DSP處理器內(nèi)，首先根據(jù)光伏陣列輸出電壓Upv和電流ipv采用常用的最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT方法——擾動(dòng)觀察法，求得光伏陣列最大功率點(diǎn)參考電壓uMf ;然后將光伏陣列輸出電壓Upv與光伏陣列最大功率點(diǎn)參考電壓uMf的差值經(jīng)過(guò)電壓比例積分PI調(diào)節(jié)器后得到逆變器輸出的d軸參考電流idMf ;接著根據(jù)市電電網(wǎng)的A、B、C三相電壓信號(hào)ea、eb和e。通過(guò)鎖相環(huán)PLL方法求出電網(wǎng)電壓矢量旋轉(zhuǎn)角度0 ;最后，為使逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同相位，設(shè)置逆變器輸出的q軸參考電流iV6f=0，并利用電網(wǎng)電壓矢量旋轉(zhuǎn)角度e將逆變器輸出的d軸參考電流idMf和逆變器輸出的q軸參考電流iff6f進(jìn)行dq矢量旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到abc三相靜止坐標(biāo)系的變換，得到A相給定電流信號(hào)ia,ef、B相給定電流信號(hào)“…和C相給定電流信號(hào)i_f ;
步驟4 DSP處理器通過(guò)串行外圍接口 SPI通信將A相給定電流信號(hào)iaMf和市電電網(wǎng)的A相電壓信號(hào)ea傳輸給第一 FPGA處理器,將B相給定電流信號(hào)ibref和市電電網(wǎng)的B相電壓信號(hào)eb傳輸給第二 FPGA處理器,將C相給定電流信號(hào)iraef和市電電網(wǎng)的C相電壓信號(hào)ec傳輸給第三FPGA處理器，將光伏陣列輸出電壓Upv傳輸給第一、第二和第三FPGA處理器；步驟5第一 FPGA處理器根據(jù)A相給定電流信號(hào)ia,ef和光伏并網(wǎng)逆變器輸出的A相電流信號(hào)ia的差值通過(guò)第一電流比例積分PI調(diào)節(jié)器后與市電電網(wǎng)的A相電壓信號(hào)ea相加得到A相電壓調(diào)制信號(hào)Ual ;然后根據(jù)A相電壓調(diào)制信號(hào)Ual和光伏陣列輸出電壓Upv通過(guò)正弦脈寬調(diào)制SPWM算法得到光伏并網(wǎng)逆變器A相上橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWMl和A相下橋臂的驅(qū)動(dòng) 信號(hào)PWM2 ；
步驟6第二 FPGA處理器根據(jù)B相給定電流信號(hào)ib,ef和光伏并網(wǎng)逆變器輸出的B相電流信號(hào)ib的差值通過(guò)第二電流比例積分PI調(diào)節(jié)器后與市電電網(wǎng)的B相電壓信號(hào)eb相加得到B相電壓調(diào)制信號(hào)Ubl ;然后根據(jù)B相電壓調(diào)制信號(hào)Ubl和光伏陣列輸出電壓Upv通過(guò)正弦脈寬調(diào)制SPWM算法得到光伏并網(wǎng)逆變器B相上橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM3和B相下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM4 ；
步驟7第三FPGA處理器根據(jù)C相給定電流信號(hào)iraef和光伏并網(wǎng)逆變器輸出的C相電流信號(hào)i。的差值通過(guò)第三電流比例積分PI調(diào)節(jié)器后與市電電網(wǎng)的C相電壓信號(hào)ec相加得到C相電壓調(diào)制信號(hào)Uca ;然后根據(jù)C相電壓調(diào)制信號(hào)Ucl和光伏陣列輸出電壓Upv通過(guò)正弦脈寬調(diào)制SPWM算法得到光伏并網(wǎng)逆變器C相上橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM5和C相下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM6。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果
1)高可靠性。數(shù)字信號(hào)處理器DSP負(fù)責(zé)光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤和電壓外環(huán)控制，第一 FPGA處理器負(fù)責(zé)A相電流內(nèi)環(huán)控制和正弦脈寬調(diào)制算法，第二 FPGA處理器負(fù)責(zé)B相電流內(nèi)環(huán)控制和正弦脈寬調(diào)制算法，第三FPGA處理器負(fù)責(zé)C相電流內(nèi)環(huán)控制和正弦脈寬調(diào)制算法，且DSP通過(guò)串行外圍接口 SPI分別與第一、第二、第三FPGA處理器之間高速通信，如此則充分將DSP的快速運(yùn)算性能和FPGA的高可靠性有機(jī)融為一體，使整個(gè)單級(jí)三相光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)具有聞可罪性；
2)高度模塊化。由于數(shù)字信號(hào)處理器DSP負(fù)責(zé)光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤和電壓外環(huán)控制，第一 FPGA處理器負(fù)責(zé)A相電流內(nèi)環(huán)控制和正弦脈寬調(diào)制算法，第二 FPGA處理器負(fù)責(zé)B相電流內(nèi)環(huán)控制和正弦脈寬調(diào)制算法，第三FPGA處理器負(fù)責(zé)C相電流內(nèi)環(huán)控制和正弦脈寬調(diào)制算法，因此整個(gè)單級(jí)三相光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)各部分控制功能的模塊化程度非常高。3)各相電流獨(dú)立調(diào)節(jié)。由于將三相電流控制分解為A相電流單獨(dú)控制、B相電流單獨(dú)控制和C相電流單獨(dú)控制，且A相電流控制功能單獨(dú)采用第一 FPGA處理器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，B相電流控制功能單獨(dú)采用第二 FPGA處理器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，C相電流控制功能單獨(dú)采用第三FPGA處理器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)了單級(jí)三相光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)的各相電流獨(dú)立調(diào)節(jié)。
圖I為單級(jí)三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的新型控制框圖。
具體實(shí)施例方式為提高單級(jí)三相光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)的可靠性和模塊化程度，本發(fā)明方法的核心為由數(shù)字信號(hào)處理器DSP負(fù)責(zé)光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤和電壓外環(huán)控制，由第一 FPGA處理器負(fù)責(zé)A相電流內(nèi)環(huán)控制和正弦脈寬調(diào)制算法，由第二 FPGA處理器負(fù)責(zé)B相電流內(nèi)環(huán)控制和正弦脈寬調(diào)制算法，由第三FPGA處理器負(fù)責(zé)C相電流內(nèi)環(huán)控制和正弦脈寬調(diào)制算法，且DSP通過(guò)串行外圍接口 SPI分別與第一、第二、第三FPGA處理器之間高速通信，如此則充分將DSP的快速運(yùn)算性能和FPGA的高可靠性有機(jī)融為一體，且實(shí)現(xiàn)各相電流獨(dú)立調(diào)節(jié)。
本發(fā)明具體是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
步驟I利用數(shù)字信號(hào)DSP處理器檢測(cè)市電電網(wǎng)的A、B、C三相電壓信號(hào)ea、eb和以及光伏陣列輸出電壓Upv和電流ipv ；
步驟2利用第一可編程邏輯門(mén)陣列FPGA處理器檢測(cè)光伏并網(wǎng)逆變器輸出的A相電流信號(hào)ia，利用第二 FPGA處理器檢測(cè)光伏并網(wǎng)逆變器輸出的B相電流信號(hào)ib，利用第三FPGA處理器檢測(cè)光伏并網(wǎng)逆變器輸出的的C相電流信號(hào)i。；
步驟3在DSP處理器內(nèi)，首先根據(jù)光伏陣列輸出電壓Upv和電流ipv采用常用的最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT方法——擾動(dòng)觀察法，求得光伏陣列最大功率點(diǎn)參考電壓uMf ;然后將光伏陣列輸出電壓Upv與光伏陣列最大功率點(diǎn)參考電壓uMf的差值經(jīng)過(guò)電壓比例積分PI調(diào)節(jié)器后得到逆變器輸出的d軸參考電流idMf ;接著根據(jù)市電電網(wǎng)的A、B、C三相電壓信號(hào)ea、eb和e。通過(guò)鎖相環(huán)PLL方法求出電網(wǎng)電壓矢量旋轉(zhuǎn)角度0 ;最后，為使逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同相位，設(shè)置逆變器輸出的q軸參考電流iV6f=0，并利用電網(wǎng)電壓矢量旋轉(zhuǎn)角度e將逆變器輸出的d軸參考電流idMf和逆變器輸出的q軸參考電流iff6f進(jìn)行dq矢量旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到abc三相靜止坐標(biāo)系的變換，得到A相給定電流信號(hào)ia,ef、B相給定電流信號(hào)“…和C相給定電流信號(hào)i_f ;
步驟4 DSP處理器通過(guò)串行外圍接口 SPI通信將A相給定電流信號(hào)iaMf和市電電網(wǎng)的A相電壓信號(hào)ea傳輸給第一 FPGA處理器,將B相給定電流信號(hào)ibref和市電電網(wǎng)的B相電壓信號(hào)eb傳輸給第二 FPGA處理器,將C相給定電流信號(hào)iraef和市電電網(wǎng)的C相電壓信號(hào)ec傳輸給第三FPGA處理器，將光伏陣列輸出電壓Upv傳輸給第一、第二和第三FPGA處理器；
步驟5第一 FPGA處理器根據(jù)A相給定電流信號(hào)ia,ef和光伏并網(wǎng)逆變器輸出的A相電流信號(hào)ia的差值通過(guò)第一電流比例積分PI調(diào)節(jié)器后與市電電網(wǎng)的A相電壓信號(hào)ea相加得到A相電壓調(diào)制信號(hào)Ual ;然后根據(jù)A相電壓調(diào)制信號(hào)Ual和光伏陣列輸出電壓Upv通過(guò)正弦脈寬調(diào)制SPWM算法得到光伏并網(wǎng)逆變器A相上橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWMl和A相下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM2 ；
步驟6第二 FPGA處理器根據(jù)B相給定電流信號(hào)ib,ef和光伏并網(wǎng)逆變器輸出的B相電流信號(hào)ib的差值通過(guò)第二電流比例積分PI調(diào)節(jié)器后與市電電網(wǎng)的B相電壓信號(hào)eb相加得到B相電壓調(diào)制信號(hào)Ubl ;然后根據(jù)B相電壓調(diào)制信號(hào)Ubl和光伏陣列輸出電壓Upv通過(guò)正弦脈寬調(diào)制SPWM算法得到光伏并網(wǎng)逆變器B相上橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM3和B相下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM4 ；
步驟7第三FPGA處理器根據(jù)C相給定電流信號(hào)iraef和光伏并網(wǎng)逆變器輸出的C相電流信號(hào)i。的差值通過(guò)第三電流比例積分PI調(diào)節(jié)器后與市電電網(wǎng)的C相電壓信號(hào)e。相加得到C相電壓調(diào)制信號(hào)Ucl ;然后根據(jù)C相電壓調(diào)制信號(hào)Ucl和光伏陣列輸出電壓Upv通過(guò)正弦脈寬調(diào)制SPWM算法得到光伏并網(wǎng)逆變器C相上橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM5和C相下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM6。由于步驟5、步驟6和步驟7將三相電流控制分解為A相電流單獨(dú)控制、B相電流單獨(dú)控制和C相電流單獨(dú)控制，且A相電流控制功能單獨(dú)采用第一 FPGA處理器進(jìn)行實(shí) 現(xiàn)，B相電流控制功能單獨(dú)采用第二 FPGA處理器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，C相電流控制功能單獨(dú)采用第三FPGA處理器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)了單級(jí)三相光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)的各相電流獨(dú)立調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種單級(jí)三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的新型控制方法，其特征在于該方法包括以下步驟步驟I利用數(shù)字信號(hào)DSP處理器檢測(cè)市電電網(wǎng)的A、B、C三相電壓信號(hào)ea、eb和以及光伏陣列輸出電壓Upv和電流ipv ； 步驟2利用第一可編程邏輯門(mén)陣列FPGA處理器檢測(cè)光伏并網(wǎng)逆變器輸出的A相電流信號(hào)ia，利用第二 FPGA處理器檢測(cè)光伏并網(wǎng)逆變器輸出的B相電流信號(hào)ib，利用第三FPGA處理器檢測(cè)光伏并網(wǎng)逆變器輸出的的C相電流信號(hào)i。； 步驟3在DSP處理器內(nèi)，首先根據(jù)光伏陣列輸出電壓Upv和電流ipv采用常用的最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT方法——擾動(dòng)觀察法，求得光伏陣列最大功率點(diǎn)參考電壓uMf ;然后將光伏陣列輸出電壓Upv與光伏陣列最大功率點(diǎn)參考電壓uMf的差值經(jīng)過(guò)電壓比例積分PI調(diào)節(jié)器后得到逆變器輸出的d軸參考電流idMf ;接著根據(jù)市電電網(wǎng)的A、B、C三相電壓信號(hào)ea、eb和e。通過(guò)鎖相環(huán)PLL方法求出電網(wǎng)電壓矢量旋轉(zhuǎn)角度0 ;最后，為使逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同相位，設(shè)置逆變器輸出的q軸參考電流iV6f=0，并利用電網(wǎng)電壓矢量旋轉(zhuǎn)角度e將逆變器輸出的d軸參考電流idMf和逆變器輸出的q軸參考電流iff6f進(jìn)行dq矢量旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到abc三相靜止坐標(biāo)系的變換，得到A相給定電流信號(hào)ia,ef、B相給定電流信號(hào)“…和C相給定電流信號(hào)i_f ; 步驟4 DSP處理器通過(guò)串行外圍接口 SPI通信將A相給定電流信號(hào)iaMf和市電電網(wǎng)的A相電壓信號(hào)ea傳輸給第一 FPGA處理器,將B相給定電流信號(hào)ibref和市電電網(wǎng)的B相電壓信號(hào)eb傳輸給第二 FPGA處理器,將C相給定電流信號(hào)iraef和市電電網(wǎng)的C相電壓信號(hào)ec傳輸給第三FPGA處理器，將光伏陣列輸出電壓Upv傳輸給第一、第二和第三FPGA處理器；步驟5第一 FPGA處理器根據(jù)A相給定電流信號(hào)ia,ef和光伏并網(wǎng)逆變器輸出的A相電流信號(hào)ia的差值通過(guò)第一電流比例積分PI調(diào)節(jié)器后與市電電網(wǎng)的A相電壓信號(hào)ea相加得到A相電壓調(diào)制信號(hào)Ual ;然后根據(jù)A相電壓調(diào)制信號(hào)Ual和光伏陣列輸出電壓Upv通過(guò)正弦脈寬調(diào)制SPWM算法得到光伏并網(wǎng)逆變器A相上橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWMl和A相下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM2 ； 步驟6第二 FPGA處理器根據(jù)B相給定電流信號(hào)ib,ef和光伏并網(wǎng)逆變器輸出的B相電流信號(hào)ib的差值通過(guò)第二電流比例積分PI調(diào)節(jié)器后與市電電網(wǎng)的B相電壓信號(hào)eb相加得到B相電壓調(diào)制信號(hào)Ubl ;然后根據(jù)B相電壓調(diào)制信號(hào)Ubl和光伏陣列輸出電壓Upv通過(guò)正弦脈寬調(diào)制SPWM算法得到光伏并網(wǎng)逆變器B相上橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM3和B相下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM4 ； 步驟7第三FPGA處理器根據(jù)C相給定電流信號(hào)iraef和光伏并網(wǎng)逆變器輸出的C相電流信號(hào)i。的差值通過(guò)第三電流比例積分PI調(diào)節(jié)器后與市電電網(wǎng)的C相電壓信號(hào)ec相加得到C相電壓調(diào)制信號(hào)Uca ;然后根據(jù)C相電壓調(diào)制信號(hào)Ucl和光伏陣列輸出電壓Upv通過(guò)正弦脈寬調(diào)制SPWM算法得到光伏并網(wǎng)逆變器C相上橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM5和C相下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM6。
全文摘要
一種單級(jí)三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的新型控制方法，首先通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器DSP進(jìn)行光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤、電壓外環(huán)控制并通過(guò)串行外圍接口SPI通信給第一、第二和第三可編程邏輯門(mén)陣列FPGA處理器分別發(fā)送A相給定電流信號(hào)iaref、B相給定電流信號(hào)ibref和C相給定電流信號(hào)icref；然后通過(guò)第一FPGA處理器進(jìn)行A相電流內(nèi)環(huán)控制和正弦脈寬調(diào)制后給光伏并網(wǎng)逆變器A相上、下橋臂發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)；通過(guò)第二FPGA處理器進(jìn)行B相電流內(nèi)環(huán)控制和正弦脈寬調(diào)制后給光伏并網(wǎng)逆變器B相上、下橋臂發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)；通過(guò)第三FPGA處理器進(jìn)行C相電流內(nèi)環(huán)控制和正弦脈寬調(diào)制后給光伏并網(wǎng)逆變器C相上、下橋臂發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)。該方法具有高可靠性、高度模塊化且各相電流獨(dú)立調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02J3/38GK102751736SQ201210095600
公開(kāi)日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月1日
發(fā)明者丁杰, 呂宏水, 吳福保, 張軍軍, 秦筱迪, 鄭飛, 黃晶生 申請(qǐng)人:中國(guó)電力科學(xué)研究院, 國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院