摘要：基于數(shù)字信號處理器(DSP)與現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)，提出了一種適合光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的新型控制方法，并設計了相應的控制器。DSP負責電壓外環(huán)控制以及最大功率點跟蹤(MPPT)控制；FPGA負責帶電壓前饋的電流內(nèi)環(huán)控制和正弦脈寬調(diào)制(SPWM)驅動算法；DSP與FPGA之間通過串行外設接口SPI總線通訊。該控制結構不僅高度模塊化、穩(wěn)定可靠，而且實現(xiàn)了三相電流獨立控制。最后進行了仿真驗證，并實際應用在某500 kW光伏并網(wǎng)逆變器中，仿真和現(xiàn)場試驗結果表明，并網(wǎng)運行性能良好。
關鍵詞：光伏并網(wǎng)；數(shù)字信號處理器；現(xiàn)場可編程門陣列

1 引言
    在光伏并網(wǎng)發(fā)電領域，控制系統(tǒng)主要基于DSP芯片進行設計。由于該芯片都是基于軟件編程來完成相應的控制功能，因此一旦與DSP相配合的外圍電路結構變復雜后，由于軟件中斷發(fā)生的不確定性，可能對邏輯信號造成一定延時，導致程序運行出現(xiàn)故障的幾率增加。故采用DSP單一處理器來設計系統(tǒng)存在一定的缺陷。FPGA可根據(jù)實際控制需要靈活配置其內(nèi)部具體邏輯電路功能，有利于實現(xiàn)功能模塊化，提高系統(tǒng)的可靠性。而DSP在實時數(shù)據(jù)處理速度與系統(tǒng)控制方面存在明顯的優(yōu)勢。因此，如何將DSP快速運算的實時性與FPGA的高可靠性相結合，并以此結構來設計光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)，具有重要意義。

2 控制方案
    提出一種基于DSP和FPGA雙處理器結構的單級三相光伏并網(wǎng)控制方案，其結構如圖1所示。

    光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主要包括主電路、DSP控制器和FPGA控制器三部分。主電路工作原理為：三相逆變器在DSP和FPGA雙CPU結構的光伏并網(wǎng)控制器的控制下，發(fā)出SPWM信號來驅動三相逆變器工作，將光伏陣列輸出的直流電壓逆變?yōu)槿嘟涣麟妷?，通過濾波電路濾波后并入電網(wǎng)；DSP控制器負責電壓外環(huán)控制及MPPT控制，且通過串行外部接口SPI總線將光伏陣列的輸出電壓Upv及三相給定電流信號iaref，ibref，icref高速傳輸給FPGA控制器，然后通過帶電壓前饋的電流內(nèi)環(huán)控制和SPWM驅動算法給三相逆變器的a，b，c相上下橋臂發(fā)出6路脈沖驅動信號。
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2．1 DSP控制器
    DSP控制器實現(xiàn)的功能包括鎖相環(huán)(PLL)算法、MPPT算法、直流母線電壓PI調(diào)節(jié)器、d，q坐標系到a，b，c坐標系的變換及SPI通信。
    具體工作過程為：DSP芯片首先通過采樣電路采集電網(wǎng)a，b，c三相電壓信號ea，eb，ec及Upv和光伏陣列輸出電流Ipv；然后根據(jù)Upv和Ipv，采用常用的MPPT算法，即擾動觀察法，求取光伏陣列最大功率點參考電壓Uref；接著將Upv與Uref作差后，通過直流母線電壓PI調(diào)節(jié)器計算得到最大功率點跟蹤電流Idref，同時為保證逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同相位，在d，q矢量旋轉坐標系中，設置q軸參考電流，Iqref =0；進一步利用電網(wǎng)電壓矢量旋轉角度θ，將d軸參考電流Idref和q軸參考電流Iqref通過d，q坐標系變換到a，b，c坐標系，得到iaref，ibref，icref；最后通過SPI總線將信號ea，eb，ec，iaref，ibref，icref，Upv，ia，ib，ic高速傳輸給FPGA芯片。這里給出SPI的通訊初始化程序：
   
2．2 FPGA控制器
    為提高系統(tǒng)的模塊化程度和可靠性，系統(tǒng)針對a，b，c三相電流信號分別采用3個獨立的FPGA控制器，得到用于驅動三相逆變器a，b，c相上下橋臂的6路脈沖驅動信號。
    具體工作原理：第一塊FPGA處理器根據(jù)iaref與光伏并網(wǎng)逆變器輸出的a相電流信號ia的差值通過第一電流PI調(diào)節(jié)器后與市電電網(wǎng)的a相電壓信號ea相加，得到a相電壓調(diào)制信號ua1，再將ua1與Upv通過SPWM算法，得到光伏并網(wǎng)逆變器a相上、下橋臂的驅動信號PWM1，PWM2。b，c相的工作原理與a相相同。

3 仿真與實驗驗證
3．1 仿真驗證
    為驗證所提出的控制方法的有效性，基于Matlab／Simulink&SimPowerSystem構建500 kW光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真平臺，并進行仿真驗證。[!--empirenews.page--]
    仿真參數(shù)：標準環(huán)境(輻照度為1 000 W／m2，環(huán)境溫度為25℃)條件下，500 kW光伏陣列的最大功率點電壓650 V；最大功率點電流769 A；短路電流980 A；開路電壓1 kV；直流母線電容C=0．022 7 F；濾波器電感L=0．3 mH；濾波器電阻R=0．03 Ω；直流母線電壓PI調(diào)節(jié)器中比例、積分系數(shù)分別為0．2和15：3個FPGA控制器中的電流PI調(diào)節(jié)器參數(shù)均相同，其比例、積分系數(shù)為5 000和1 000；逆變器輸出電流采樣頻率及其開關頻率均為3 kHz。仿真波形如圖2所示。

    在t=0．2 s時刻，并網(wǎng)逆變器開始啟動運行，Upv在MPPT算法的作用下從開路電壓1 kV開始逐漸下降，經(jīng)過約0．55 s進入穩(wěn)態(tài)，整個過程中Upv跟蹤Uref效果良好。Ipv由零開始逐漸增加，經(jīng)過約0．55 s達到穩(wěn)態(tài)值。光伏陣列輸出直流功率Pdc和光伏并網(wǎng)逆變器輸出交流功率Pac均由零逐漸增加，經(jīng)過約0．55 s達到額定值500 kW，且整個啟動過程及穩(wěn)態(tài)情況下，Pdc與Pac近似相等。從0．2 s系統(tǒng)啟動開始，ia由零逐漸增加，直至達到電流額定值，且其始終與電網(wǎng)電壓ea同頻同相。ia的總諧波畸變率THD僅在系統(tǒng)初始啟動瞬間較大，一旦系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)，其THD迅速降至5％以內(nèi)，滿足電網(wǎng)諧波標準。
3．2 實驗驗證
    為進一步驗證所提控制方法的有效性，基于TMS320F2812型DSP和EP2C5T144C8型FPGA主控芯片研制相應的控制器，實際應用于某500 kW
光伏并網(wǎng)逆變器中，其主要電路參數(shù)：滿載MPPT電壓Udc為450～820V，直流母線電容為112．8 mF，直流母線啟動電壓470 V，額定輸出功率為500 kW。
    現(xiàn)場并網(wǎng)運行ua和ia波形如圖3所示。

    可見，ia與ua同頻、同相，證明了所提出的控制方法并網(wǎng)運行性能良好。

4 結論
    基于DSP與FPGA，提出了一種適合光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的新型控制方法，設計了相應的控制器，并給出了仿真和現(xiàn)場試驗效果，可見該控制方案具有以下突出優(yōu)點：①系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。通過將電壓外環(huán)控制及最大功率跟蹤控制置于DSP芯片內(nèi)，將帶電壓前饋的電流內(nèi)環(huán)控制和SPWM驅動算法置于FPGA芯片內(nèi)，且DSP與FPGA之間通過SPI總線使DSP快速運算的實時性和FPGA的高可靠性有機融為一體；②系統(tǒng)高度模塊化。通過DSP控制器給出各相給定電流信號，且將三相電流控制分別置于3個FPGA控制器內(nèi)，分解為3個單相電流控制，使各相電流控制之間相互獨立，同時由于此3個FPGA控制器完全相同，便于即插即用，使系統(tǒng)的模塊化程度更高。