设计应用

基于SOPC的并网逆变器设计

0 引言

    随着煤、石油、天然气等不可再生能源的日益短缺,太阳能、风能等可再生新能源的开发与利用越来越受到人们的高度重视[1-2]。新能源发电作为主要的应用形式,在改善生态环境、缓解电力供应紧张方面起到了至关重要的作用[3-5]。而逆变技术是新能源发电的一项关键技术,能将新能源产生的直流电能转换为交流电能并完成并网发电,其核心控制器的选取与设计对转换速度与系统性能有较大的影响。就目前的并网逆变系统来说,大多是用MCU、ARM或DSP来作为核心控制器,基于这类控制器搭建的系统架构,主要是以串行工作方式来实现控制策略,较之于并行工作方式,运行速度与并网电流质量都会受到了一定的影响[6-8]。因此,为提升系统运行速度、改善系统整体性能,在并行工作方式的FPGA开发平台上,提出了一种基于SOPC控制技术实现的并网逆变器新架构,并通过一个1 kW的样机测试结果来验证了该方案的正确性、可行性与有效性。

1 系统架构

    图1所示为文中所述的并网逆变器新架构,其核心控制器选用EP2C8Q208C的FPGA,拥有强大的并行运算能力,支持SOPC技术开发。图中直流侧输入电压为Uin(由前端新能源直接输出或经前级升压所获)、并网电流为ig、电网电压为Vg、直流侧参考电压为Ur。这四路信号经AD转换后送入FPGA(图1虚线框部分)处理,得到两路PWM信号经驱动电路对主电路的开关管Q1~Q4进行有序控制,从而完成逆变功能。ADPLL为全数字锁相环,旨在获取Vg的相位信息,用于构造正弦波表。网侧并联RLC电路为模拟系统孤岛运行所需的本地负载。

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2 调节器参数设计

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    式中,kip为P调节器的比例系数,1/Ls为滤波器传递函数(忽略其寄生参数)。为提高响应速度,减小开关噪声,环路带宽fci一般要设置在(1/5~1/12)fS处,且在fci处要有大于45°的相角裕度[10]。带入各参数,当kip=1.21时,可得Goc(s)的幅频特性如图3所示,由图可知,在fci=3 kHz且相角裕度约为90°,符合设计要求。

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    在设计电压外环时,可以将电流内环等效为一个1/ki的比例环节,于是,由图2可得校正后电压环的开环传递函数为:

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    式中,kvp、kvi分别为PI调节器的比例系数与积分系数。为能稳定Uin,环路带宽fcv应设置在100 Hz以内,且需在fcv处要有大于45°的相角裕度[10]。代入各参数,当kvp=0.72、kvi=1.88时,可得Gov(s)的幅频特性如图4所示,由图可知,fcv=15 Hz且相角裕度约为60°,符合设计要求。

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3 系统构建

3.1 ADPLL设计

    在新能源并网发电系统中,为了保证逆变器输出的电流始终能与电网电压保持同频率与同相位,文中基于图5示出的原理构建了ADPLL的IP硬核。它较之传统锁相环有精度高、受温度影响小、稳定性强与可移植性好的优点。图中Mf0与2Nf0分别为K模可逆计数器与N分频电路的时钟,设计时取K=4,M=2N,f0=50 Hz。依据文献[11],设计时选取三角载波频率为60 kHz,故可计算出N=1 200,M=2 400。至此,采用VHDL语言对图中各模块进行编程、编译、综合与仿真,得到了如图6所示的IP硬核与如图7所示的功能仿真结果。由图7可知,输出信号fout与50 Hz输入信号fin之间的相位差随时钟的推移逐步在缩小,且约在210 ms时保持同步,从而完成了对电网电压频率和相位的跟踪。

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3.2 系统IP硬核

    由于SOPC技术的软核处理器是靠Avalon总线对外设进行访问与控制的,故定制了如图8所示的符合Avalon总线接口的外设PWM、电压PI调节器及电流P调节器模块。将已构建好的各分模块依据图9进行连接,便得到了逆变器并网控制系统IP硬核的构建图。图中atpll0为FPGA内置数字锁相环,主要功能是分配系统各模块所需的时钟;ad7874_fifo为前端数据采集控制存储IP硬核,可参照文献[12]进行设计。由图9可知,所构建系统IP硬核能顺利地完成编译、综合及引脚分配,证实其能成功嵌入到FPGA中。

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4 实验结果

    基于上述理论分析,搭建了一个1 kW的光伏并网实验样机系统。相关电路参数为:直流输入电压Uin=400 V,交流输出电压有效值Ug=220 V/50 Hz,开关频率fS=30 kHz,电容Cin=470 μF/600 V,输出滤波电感L=6 mH。

    图10为所构建ADPLL模块的实测波形,其中CH1是外部输入的50 Hz方波信号,CH2为实测输出信号。由图可知,CH2的相位随时间的推移在逐步进行调整,并最终能与CH1保持同频同相,证实所构建的ADPLL模块可实现同步锁相功能。

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    图11为自定制PWM模块的实测波形,图11(a)为区域实测波形,图11(b)为局部放大波形。由图11(a)可知,信号CH1与CH2相位互补、脉宽按照正弦规律变化。由图11(b)可知,信号CH1与CH2之间存有一定的死区时间,大约为4 μs,能防止逆变器桥臂的直通现象。

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    图12为样机并网运行实测波形,其中CH1为电网电压波形,CH2为逆变器输出电流波形。由图12可知,CH2与CH1有较强的同步跟踪能力,虽CH2存有一些毛刺,但整体上却有着良好的正弦度。

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5 结论

    研究了逆变器的并网控制技术及其在FPGA上的实现,提出了一种基于SOPC控制技术实现的并网逆变器新架构,给出了控制策略调节器参数的设计方法,构建了基于SOPC的并网逆变器控制系统IP硬核。最后,在1 kW的实验样机上证实了所提架构是正确可行的,且实验结果表明该方案的输出电流对电网电压具有良好的同步跟踪能力。

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作者信息:

阎昌国1,龚仁喜2,刘小雍1,熊中刚1,杨  航1

(1. 遵义师范学院 工学院,贵州 遵义563006;2.广西大学 电气工程学院,广西 南宁530004)

串行结构 并网逆变器 SoPC IP硬核