《電子技術應用》
您所在的位置：首頁 > 電源技術 > 設計應用 > 基于SOPC的并網(wǎng)逆變器設計
基于SOPC的并網(wǎng)逆變器設計
2018年電子技術應用第6期
閻昌國1，龔仁喜2，劉小雍1,，熊中剛1,，楊 航1
1. 遵義師范學院 工學院,，貴州 遵義563006；2.廣西大學 電氣工程學院，廣西 南寧530004
摘要： 針對日前基于串行結構控制器設計的并網(wǎng)逆變器存在運行速度慢、并網(wǎng)電流質量差的問題,，以并行結構控制器FPGA為開發(fā)平臺，提出了一種基于SOPC控制技術實現(xiàn)的并網(wǎng)逆變器新架構,。該架構采用帶電網(wǎng)電壓前饋的直接電流PI控制策略,，用硬件實現(xiàn)算法，提升了系統(tǒng)的運行速度及整體性能,。論文設計了控制策略的調節(jié)器參數(shù),，并構建了逆變器并網(wǎng)控制系統(tǒng)的IP硬核。1 kW的樣機測試結果表明：該方案具有并網(wǎng)電流質量好,、同步跟蹤能力強的優(yōu)點,。
中圖分類號： TM615
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.173204
中文引用格式： 閻昌國，龔仁喜,，劉小雍，等. 基于SOPC的并網(wǎng)逆變器設計[J].電子技術應用,，2018,，44(6)：138-141，145.
英文引用格式： Yan Changguo,，Gong Renxi,，Liu Xiaoyong，et al. Design of grid-connected invert based on SOPC[J]. Application of Electronic Technique,，2018,，44(6)：138-141，145.
Design of grid-connected invert based on SOPC
Yan Changguo1,，Gong Renxi2,，Liu Xiaoyong1，Xiong Zhonggang1,，Yang Hang1
1.School of Engineering,，Zunyi Normal College，Zunyi 563006,，China,； 2.School of Electrical Engineering，Guangxi University,，Nanning 530004,，China
Abstract： Taking into consideration the disadvantages of the serial structure controller-slow operation speed, poor grid current quality for the present grid-connected invert, the authors proposed a new grid-connected invert architecture, which is based on SOPC control technology on FPGA platform. It adopts the direct current PI control strategy with grid voltage feed-forward and uses hardware to realize algorithm, which improved the running speed and the overall performance of system. Meanwhile, designed regulator parameters for the control strategy and constructed grid-connected control system IP hard core for the invert in this paper. Experimental results of 1 kW prototype show that this method has good grid current quality and strong synchronous tracking capability.
Key words : serial structure,；grid-connected invert；SOPC,；IP hard core

0 引言

    隨著煤,、石油、天然氣等不可再生能源的日益短缺,，太陽能,、風能等可再生新能源的開發(fā)與利用越來越受到人們的高度重視[1-2]。新能源發(fā)電作為主要的應用形式,，在改善生態(tài)環(huán)境,、緩解電力供應緊張方面起到了至關重要的作用[3-5]。而逆變技術是新能源發(fā)電的一項關鍵技術,，能將新能源產生的直流電能轉換為交流電能并完成并網(wǎng)發(fā)電,，其核心控制器的選取與設計對轉換速度與系統(tǒng)性能有較大的影響。就目前的并網(wǎng)逆變系統(tǒng)來說,，大多是用MCU,、ARM或DSP來作為核心控制器，基于這類控制器搭建的系統(tǒng)架構,，主要是以串行工作方式來實現(xiàn)控制策略,，較之于并行工作方式，運行速度與并網(wǎng)電流質量都會受到了一定的影響[6-8],。因此,，為提升系統(tǒng)運行速度、改善系統(tǒng)整體性能,，在并行工作方式的FPGA開發(fā)平臺上,，提出了一種基于SOPC控制技術實現(xiàn)的并網(wǎng)逆變器新架構，并通過一個1 kW的樣機測試結果來驗證了該方案的正確性,、可行性與有效性,。

1 系統(tǒng)架構

    圖1所示為文中所述的并網(wǎng)逆變器新架構，其核心控制器選用EP2C8Q208C的FPGA,，擁有強大的并行運算能力,，支持SOPC技術開發(fā)。圖中直流側輸入電壓為Uin（由前端新能源直接輸出或經前級升壓所獲）,、并網(wǎng)電流為ig,、電網(wǎng)電壓為Vg、直流側參考電壓為Ur,。這四路信號經AD轉換后送入FPGA(圖1虛線框部分)處理,，得到兩路PWM信號經驅動電路對主電路的開關管Q1~Q4進行有序控制，從而完成逆變功能。ADPLL為全數(shù)字鎖相環(huán),，旨在獲取Vg的相位信息,，用于構造正弦波表。網(wǎng)側并聯(lián)RLC電路為模擬系統(tǒng)孤島運行所需的本地負載,。

dy1-t1.gif

2 調節(jié)器參數(shù)設計

dy1-gs1-3.gif

    式中,，kip為P調節(jié)器的比例系數(shù)，1/Ls為濾波器傳遞函數(shù)（忽略其寄生參數(shù)）,。為提高響應速度,，減小開關噪聲，環(huán)路帶寬fci一般要設置在（1/5~1/12）fS處,，且在fci處要有大于45°的相角裕度[10],。帶入各參數(shù)，當kip=1.21時,，可得Goc(s)的幅頻特性如圖3所示,，由圖可知，在fci=3 kHz且相角裕度約為90°,，符合設計要求,。

dy1-t2.gifdy1-t3.gif

    在設計電壓外環(huán)時，可以將電流內環(huán)等效為一個1/ki的比例環(huán)節(jié),，于是,，由圖2可得校正后電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

    dy1-gs4.gif

    式中，kvp,、kvi分別為PI調節(jié)器的比例系數(shù)與積分系數(shù),。為能穩(wěn)定Uin，環(huán)路帶寬fcv應設置在100 Hz以內,，且需在fcv處要有大于45°的相角裕度[10]。代入各參數(shù),，當kvp=0.72,、kvi=1.88時，可得Gov(s)的幅頻特性如圖4所示,，由圖可知,，fcv=15 Hz且相角裕度約為60°，符合設計要求,。

dy1-t4.gif

3 系統(tǒng)構建

3.1 ADPLL設計

    在新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中,，為了保證逆變器輸出的電流始終能與電網(wǎng)電壓保持同頻率與同相位，文中基于圖5示出的原理構建了ADPLL的IP硬核,。它較之傳統(tǒng)鎖相環(huán)有精度高,、受溫度影響小、穩(wěn)定性強與可移植性好的優(yōu)點。圖中Mf0與2Nf0分別為K?？赡嬗嫈?shù)器與N分頻電路的時鐘,，設計時取K=4，M=2N,，f0=50 Hz,。依據(jù)文獻[11]，設計時選取三角載波頻率為60 kHz,，故可計算出N=1 200,，M=2 400。至此,，采用VHDL語言對圖中各模塊進行編程,、編譯、綜合與仿真,，得到了如圖6所示的IP硬核與如圖7所示的功能仿真結果,。由圖7可知，輸出信號fout與50 Hz輸入信號fin之間的相位差隨時鐘的推移逐步在縮小,，且約在210 ms時保持同步,，從而完成了對電網(wǎng)電壓頻率和相位的跟蹤。

dy1-t5.gif

dy1-t6.gifdy1-t7.gif

3.2 系統(tǒng)IP硬核

    由于SOPC技術的軟核處理器是靠Avalon總線對外設進行訪問與控制的,，故定制了如圖8所示的符合Avalon總線接口的外設PWM,、電壓PI調節(jié)器及電流P調節(jié)器模塊。將已構建好的各分模塊依據(jù)圖9進行連接,，便得到了逆變器并網(wǎng)控制系統(tǒng)IP硬核的構建圖,。圖中atpll0為FPGA內置數(shù)字鎖相環(huán)，主要功能是分配系統(tǒng)各模塊所需的時鐘,；ad7874_fifo為前端數(shù)據(jù)采集控制存儲IP硬核,，可參照文獻[12]進行設計。由圖9可知,，所構建系統(tǒng)IP硬核能順利地完成編譯,、綜合及引腳分配，證實其能成功嵌入到FPGA中,。

dy1-t8.gif

dy1-t9.gif

4 實驗結果

    基于上述理論分析,，搭建了一個1 kW的光伏并網(wǎng)實驗樣機系統(tǒng)。相關電路參數(shù)為：直流輸入電壓Uin=400 V,，交流輸出電壓有效值Ug=220 V/50 Hz,，開關頻率fS=30 kHz，電容Cin=470 μF/600 V,，輸出濾波電感L=6 mH,。

    圖10為所構建ADPLL模塊的實測波形,，其中CH1是外部輸入的50 Hz方波信號，CH2為實測輸出信號,。由圖可知,，CH2的相位隨時間的推移在逐步進行調整，并最終能與CH1保持同頻同相,，證實所構建的ADPLL模塊可實現(xiàn)同步鎖相功能,。

dy1-t10.gif

    圖11為自定制PWM模塊的實測波形，圖11（a）為區(qū)域實測波形,，圖11（b）為局部放大波形,。由圖11（a）可知，信號CH1與CH2相位互補,、脈寬按照正弦規(guī)律變化,。由圖11（b）可知，信號CH1與CH2之間存有一定的死區(qū)時間,，大約為4 μs,，能防止逆變器橋臂的直通現(xiàn)象。

dy1-t11.gif

    圖12為樣機并網(wǎng)運行實測波形,，其中CH1為電網(wǎng)電壓波形,，CH2為逆變器輸出電流波形。由圖12可知,，CH2與CH1有較強的同步跟蹤能力,，雖CH2存有一些毛刺，但整體上卻有著良好的正弦度,。

dy1-t12.gif

5 結論

    研究了逆變器的并網(wǎng)控制技術及其在FPGA上的實現(xiàn),，提出了一種基于SOPC控制技術實現(xiàn)的并網(wǎng)逆變器新架構，給出了控制策略調節(jié)器參數(shù)的設計方法,，構建了基于SOPC的并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)IP硬核,。最后，在1 kW的實驗樣機上證實了所提架構是正確可行的,，且實驗結果表明該方案的輸出電流對電網(wǎng)電壓具有良好的同步跟蹤能力,。

參考文獻

[1] 閆云飛，張智恩,，張力，等.太陽能利用技術及其應用[J].太陽能學報,，2012,，33(S1)：47-56.

[2] 陳國平，李明節(jié),，許濤,，等.關于新能源發(fā)展的技術瓶頸研究[J].中國電機工程學報,，2017，37(1)：20-27.

[3] VILLALVA M G,，de Siqueira T G,，RUPPERT E.Volatge regulation of photovoltaic arrays: small-signal analysis and control design[J].IET Power Electronics，2010,，3(6)：869-880.

[4] 張磊,，朱凌志，陳寧,，等.新能源發(fā)電模型統(tǒng)一化研究[J].電力系統(tǒng)自動化,，2015，39(24)：129-138.

[5] CARRASCO J M,，F(xiàn)RANQUELO L G,，BIALASIEWICZ J T，et al.Power-electronics systems for the grid integration of renewable energy sources:A survey[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,，2006,，53(4)：1002-1016.

[6] 高平東，張法全,，李勇.Z源光伏并網(wǎng)逆變器控制策略研究[J].電子技術應用,，2014，40(2)：53-55,，58.

[7] 許津銘,，謝少軍，張斌鋒.分布式發(fā)電系統(tǒng)中LCL濾波并網(wǎng)逆變器電流控制研究綜述[J].中國電機工程學報,，2015,，35(16)：4153-4166.

[8] 曾正，趙榮祥,，湯勝清,，等.可再生能源分散接入用先進并網(wǎng)逆變器研究綜述[J].中國電機工程學報，2013,，33(24)：1-12,，21.

[9] 周林，馮玉,，郭珂,，等.單相光伏并網(wǎng)逆變器建模與控制技術研究[J].太陽能學報，2012,，33(3)：485-493.

[10] 黃燦勝,，蔣志年.單相Boost有源功率因素校正電路的研究[J].電源技術，2014,，38(5)：938-940.

[11] 王偉,，張志文,，羅隆福，等.基于全數(shù)字鎖相環(huán)的電網(wǎng)頻率跟蹤技術[J],電力電子技術,，2010,，44(2)：89-91.

[12] 閻昌國，龔仁喜,，劉小雍.基于SOPC的交錯APFC變換器設計[J].電子技術應用,，2017，43(7)：135-139.



作者信息：

閻昌國1,，龔仁喜2,，劉小雍1，熊中剛1,，楊  航1

（1. 遵義師范學院 工學院,，貴州 遵義563006；2.廣西大學 電氣工程學院,，廣西 南寧530004）

此內容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),，未經授權禁止轉載。