基于FPGA 数字锁相环的光伏并网控制 逆变器, 锁相环, 检测

pengpengpang

摘要：针对光伏并网逆变器首先提出了一种基于FPGA 芯片的数字锁相控制方法；采用电流瞬时值反馈与电网电压前馈相结合的复合控制策略，以及固定载波频率的正弦脉宽调制（SPWM）技术驱动光伏逆变器；最后研制了一台3 kW光伏并网逆变器样机，将光伏并网运行的整个控制系统全部集成于一个FPGA 芯片内，使控制系统简单、可靠。并网运行实验表明，该FPGA 控制系统能确保逆变器输出电流与电网电压同频、同相。
在光伏并网发电系统中， 需要实时检测电网电压的相位和频率以控制并网逆变器， 使其输出电流与电网电压相位及频率保持同步，即同步锁相。同步锁相是光伏并网系统的一项关键技术， 其控制精确度直接影响到系统的并网运行性能。倘若锁相环电路不可靠， 在逆变器与电网并网工作切换中会产生逆变器与电网之间的环流，对设备造成冲击，缩短设备使用寿命，严重时还将损坏设备[1]。目前，对基于DSP 的数字锁相环的研究较多[2]，而对基于FPGA 的数字锁相技术的研究相对较少。由于FPGA 芯片可将数字软件以逻辑电路的形式固化在芯片中， 不仅运行速度更快，而且更加稳定可靠，因此，研究光伏并网系统的FPGA 数字锁相环， 并将整个控制系统集成到一个FPGA 芯片中，具有重要的意义。
FPGA 光伏并网控制系统
如图1 所示， 光伏并网系统主要包括主电路和FPGA 控制器两部分。主电路工作原理为：单相逆变器在FPGA 控制器发出的PWM 控制信号的作用下， 将光伏阵列直流母线上的直流电压逆变为交流电压，再通过LCL 滤波器滤波后并入电网。


FPGA 控制器工作原理为：
①基于过零检测电路产生的与电网电压同步的方波信号，在FPGA 数字锁相环的作用下，产生与电网电压同频同相的一个基准正弦信号， 并以基准正弦数组的形式存放在FPGA 中；
②将电流指令Iref
与基准正弦数组指针所对应数据相乘，形成幅值可调的正弦电流指令。由于基准正弦数组指针与电网电压同步， 因此得到的正弦电流指令也与电网电压同步， 在电流瞬时值反馈和电压前馈相结合的复合控制作用下，得到新的数组；
③将第2 步得到的新的数组， 即控制量， 送入SPWM 发生器的比较器中，一旦三角载波的计数值与该数组中的值相匹配， 则PWM 脉冲电平翻转，并且经死区控制器后，实际控制单相逆变器的4 个IGBT 功率管的通断， 实现逆变器输出电流跟踪给定的正弦电流指令，从而保证逆变器输出电流与网压同频同相。
数字锁相环
电网电压频率和相位的检测电路如图2 所示。电网电压先经采样变压器采样， 再把采样电压送到过零比较器进行过零检测， 得到与电网电压同频同相的方波信号，然后进行光耦隔离，并限压在3.3 V以内，滤去高频干扰，最后送给FPGA 的端口，由该端口捕捉电网电压的上升沿时刻。


由于所采用的三角波载波频率为20 kHz，调制正弦波频率为50 Hz，因此一个调制波采样400 个点，设置一个长度为400 的数组a，i=0，1…399，每个工频周期中该数组的首地址和间隔分别决定锁相环的相位和频率，算法流程如图3 所示。其特点在于：每个工频周期内，基准正弦信号的频率和相位均动态刷新一次，没有累积误差，简单实用。具体思路为：
①相位逐周刷新， 每个电网电压同步方波信号的上升沿，即电网电压的过零点时刻到来时，数组地址指针i 刷新为零；
②0～360°范围内每隔0.9°选取一个正弦波数组的点，共有400 个点，则数组a 的计算式为：
a=199×sin（2πi/400）+200， i=0，1…399 （1）
③第1 次过零触发时，默认第1 个周期为20 ms，数组间隔b=20/400=0.05 ms；
④不是第1 次过零触发时，计数器count1 对前后两次过零点信号之间时间进行计数；
⑤下一个周期的数组间隔b=上一周期计数值/400，即b=count1/400；
⑥一旦计数值count2=b，则数组a 地址指针，即锁相环相位指针i=i+1，count2 刷新为零，重新计数。


复合控制
逆变器并网控制技术作为并网研究中的关键部分， 其输出控制方式可分为电压控制和电流控制两种。由于采用电流控制是将逆变器输出作为电流源，它与电网的并联可看作电流源与电压源并联工作，并网工作中只需控制逆变器输出电流的频率、相位跟踪市电电压变化，即可达到并联运行的目的，因此控制方法相对简单， 且当电网变化时响应速度优于电压型控制方法。采用电流控制方案，并采用恒开关频率的三角波比较控制方式，载波频率恒定，因而高频滤波器的设计较为方便， 输出电流所含的谐波分量也较少，可实现单位功率因数的能量输出。其控制原理框图见图1， 反馈电流经过A/D 转换后输入到控制器，采用PI 调节方式，通过实时的电流闭环反馈及限幅后，不断改变PWM 脉冲的宽度，使逆变器输出电流波形正弦化，故该瞬时电流PI 控制策略具有较小的超调量和很高的稳态精度， 且开关频率固定，易于系统设计，但缺点是在开关频率不够高的情况下，动态响应速度相对较慢，调整时间长[3]。因此，选取逆变器开关频率为20 kHz， 一个工频周期内控制器调节400 次，提高控制器的动态性能，同时采取电压前馈控制[4]。电压前馈控制的作用有：①系统在无反馈的情况下，有一个输出去抵消电网电压，避免直流侧出现过高的电压； ②消除电网对系统的扰动影响，使系统近似成为一个无源电流跟随系统；③有利于反馈调节，提高系统的稳定性和稳态精度。
综上所述， 恒开关频率的电流瞬时值反馈与电网电压前馈相结合的复合控制是一种综合考虑了系统动静态特性的、较为理想的控制策略。
SPWM 算法
在FPGA 芯片中， 主要通过三角载波的计数值和复合控制输出各控制量的匹配来产生SPWM 信号。在一个三角载波周期中会发生两次匹配，每次匹配时，相应引脚的输出电平发生翻转，从而得到宽度不等的PWM 波去控制主电路功率管的导通与截止。通常对于全桥逆变电路，由于功率开关器件并联的反向二极管存在反向恢复时间，因此，两路输出脉冲必须要保证一定的死区时间， 即在死区时间内，上、下桥臂开关器件均不导通，以保证功率器件和电路的安全运行。故在FPGA 芯片中，死区发生器尤为关键，其流程如图4 所示。当比较器发生翻转时，死区标志flag 由默认的低电平置1， 并保持至死区时间结束，flag 逻辑电平与比较器出来的PWM 逻辑进行与运算后，即得到带有死区的PWM 脉冲。


实验验证
为验证针对并网逆变系统设计的FPGA 锁相环及并网控制方法的有效性， 研制了一台3 kW 的实验样机。样机参数：直流母线输入电压U=575V，电容C1=1 000μF，逆变器开关频率f1=20 kHz，逆变器输出电流采样频率f2=20 kHz，电网电压前馈系数k=1，逆变器侧电感L1=18 mH，网侧滤波器电感L2=3 mH，LCL 滤波器电容C2=20 μF，采用EP2C5T144C8 型FPGA 作为主控芯片。图5a上图为载波频率为20 kHz 的SPWM 驱动电压ug波形；图5a 下图为SPWM 驱动电压ug死区波形，死区时间为2 μs， 因所设计的SPWM 波为低电平有效，故在2 μs 的死区时间内，上、下桥臂两个SPWM 波形同时为高电平，逆变器IGBT 可靠关断；图5b 上图为电网电压经过零检测电路后的同步方波电压信号u1和FPGA 锁相环电压u2波形，可见锁相环与电网电压同步方波信号实现了精确同步；图5b 下图为逆变器输出电流io与电网电压uo波形，可见逆变器输出电流实现了与电网电压同频同相。


结论
针对光伏并网逆变器提出的基于FPGA 芯片的数字锁相控制方法， 使基准正弦信号的频率和相位在每个工频周期均动态刷新一次，没有累积误差，简单而且实用。
将整个光伏并网控制系统， 包括FPGA 数字锁相环、电流瞬时值反馈与电网电压前馈相结合的复合控制、固定载波频率的正弦脉宽调制驱动，均集成在一个FPGA 芯片内， 使整套软件系统以逻辑电路的形式固化在FPGA 中， 这样控制系统不仅运行速度快，而且安全、可靠。
并网运行实验表明， 该FPGA 控制系统能确保逆变器输出电流与电网电压同频、同相，具有较好的应用前景。
作者：郑飞， 费树岷， 周杏鹏， 王新