[实用新型]一种基于FPGA的光伏并网系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及新能源技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的光伏并网系统。

背景技术

随着全球储备能源的快速消耗，诸如煤、石油、天然气等传统能源的供应愈发紧张，为了缓解能源与环境危机，风能、太阳能等一次可再生能源的开发利用得到高度关注。近十年来，太阳能光伏产业得到飞速发展，光伏装机总量在全球范围内呈爆炸性增长趋势。仅在2015年，光伏发电装机总容量达到2100万千瓦，年发电量达250 亿千瓦时。光伏产业已进入新的发展时期，将成为以后电力来源的重要组成部分。

同时伴随的一系列光伏并网问题也愈加凸现，如光伏并网系统对电网电能质量的影响问题、逆变器的控制问题、低电压穿越等问题。光伏发电并网系统由于其发电的不连续性和随机性，系统输出不稳定，输入电网电压产生波动，从而对电网产生一系列电能质量方面的影响。并网系统中的电力电子装置，如DC/DC变换电路、逆变器等在实现电压电流处理的同时，会产生谐波电流，使电压波形产生畸变。逆变器的控制问题即为在保证输出电压与电网电压同频同相的同时，有效控制输出电流并减少谐波对电网的影响。当电网电压发生突降时，将严重影响配电网的稳定性，从而影响电网的正常运行。为了最大限度提高太阳能利用率，实现光伏发电的安全有效并网，研究实时高效的光伏并网系统势在必行。

对于当前光伏并网系统来说，国内对光伏并网系统的功能控制大多使用单片机、数字信号处理器DSP或集成电路ASIC等串行结构控制器，其运行速度和可扩展性还有待提高。基于并行结构运算的可编程逻辑阵列FPGA能够自定义不同功能的单元模块，具有集成度高、资源分配灵活和扩展性强等特点，为光伏并网系统提供了良好的硬件基础。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服光伏并网系统现有技术的不足，提供一种基于FPGA 的光伏并网系统，以异构双核FPGA作为核心控制器，可实现不同功能的灵活组合，提高系统控制性能，主要采用如下技术方案：

一种基于FPGA的光伏并网系统，包括如下装置：光伏电池PV、稳压电容、DC/DC 变换电路、直流母线、DC/AC全桥逆变器、核心控制器FPGA、交流电网以及供电设备等。光伏电池输出与稳压电容并联，电容输出串联滤波电感L1再与DC/DC变换电路并联，DC/DC变换电路输出经单相二极管与稳压电容并联，再经直流母线连接DC/AC全桥逆变器，逆变器输出串联滤波电感L2再经稳压电容并联至交流电网。核心控制器 FPGA则采集光伏电池的输出电压和电流信息、DC/DC变换电路的输出电压信息以及系统输出电压、电流信息，通过自定义驱动和控制模块产生所需的信号给并网系统。

所述光伏发电中的PV部分采用最大功率点跟踪控制策略，通过核心控制器FPGA 的核1自定义的MPPT功能模块，来调节光伏电池等效模型中的负载电阻跟随电池内阻，从而实现光伏电池最大功率输出。所述光伏电池等效模型由等效电流源I_ph、正向二极管I_d、电容C_j、PN结旁路分流电阻R_sh、串联电阻R_s和负载R_L等组成。电池模型结构简单，内阻即为电路输出阻抗。

所述DC/DC变换电路采用boost升压变换电路，对光伏逆变产生的电能进行升压处理，从而降低其在直流母线上传输时的能耗。

所述DC/AC全桥逆变器选择H桥拓扑结构的单相全桥逆变电路，其中功率开关管为电压驱动型MOSFET管，型号IRF3710，最大电压500V，最大电流57A。根据SPWM 正弦脉宽调制技术设计了其驱动电路，并在设计中加入了光耦隔离。隔离电路采用双通道HCPL-2630芯片实现电压隔离，驱动芯片采用专用芯片IR2410，它具有双通道，驱动能力强，能驱动高压高速的电压驱动型开关管。

所述核心控制器FPGA选用异构双核的Zynq-7000型号。在FPGA中，系统功能实现主要包括三层：硬件层、系统层和应用层。FPGA中，核1实现光伏并网系统的相关控制，主要完成MPPT、SPWM、CAP和ADC等算法程序设计，核0移植Linux系统，实现光伏监测，同时两核也可以进行实时数据交互。其中硬件的实现主要包括FPGA ZedBorad开发板、FPGA SD卡电路设计、FPGA UART电路设计、全桥逆变电路设计、驱动电路设计、采样电路设计、过零比较电路设计、辅助电源电路设计、并网开关电路设计、保护电路设计等。