[發明專利]基于FPGA的并網光伏系統小干擾穩定性判斷系統及方法

有效

• 申請號: 201310464280.7
• 申請日: 2013-09-29
• 公開（公告）號: CN103532167A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 周雪松;吳家瑞;馬幼捷;李季;李超;徐曉寧;陳墨;侯兆豪;吳浩
• 申請（專利權）人: 天津理工大學
• 主分類號: H02J3/38
• 分類號: H02J3/38;G06F19/00
• 代理公司: 天津天麓律師事務所 12212
• 代理人: 王里歌

1.一種基于FPGA的并網光伏系統小干擾穩定性判斷系統，包括電網，其特征在于它包括光伏陣列、Boost直流變換單元、DC/AC交流變換單元、濾波單元、接口電路、顯示單元和中央處理單元；其中，所述Boost直流變換單元的輸入端接收光伏陣列的輸出電流，其輸出端與DC/AC交流變換單元的輸入端連接；所述濾波單元的輸入端連接DC/AC交流變換單元的輸出端，其輸出端與電網相連；所述接口電路采集信號輸出給中央處理單元，所述中央處理單元的輸出端連接顯示單元。

2.根據權利要求1所述一種基于FPGA的并網光伏系統小干擾穩定性判斷系統，其特征在于所述濾波單元是LC濾波器。

3.根據權利要求1所述一種基于FPGA的并網光伏系統小干擾穩定性判斷系統，其特征在于所述接口電路由電壓電流采樣單元1、電壓電流采樣單元2和電網電壓頻率相位檢測單元構成；其中，所述電壓電流采集單元1的輸入端連接Boost直流變換單元的輸出端，采集電壓電流信號，其輸出端連接中央處理單元的輸入端；所述電壓電流采集單元2的輸入端連接濾波單元的輸出端，采集電壓電流信號，其輸出端連接中央處理單元的輸入端；所述電網電壓頻率相位檢測單元的輸入端連接電網，采集電網的電壓頻率相位信號，其輸出端連接中央處理單元的輸入端。

4.根據權利要求1所述一種基于FPGA的并網光伏系統小干擾穩定性判斷系統，其特征在于所述中央處理單元由Xilinx公司的virtex-4系列FPGA芯片XC4VSX35構成；所述Xilinx公司Virtex-4系列FPGA是采用高級硅模塊架構、高性能RISC的CPU、嵌入式塊RAM，高速串行I/O口、包含兩個DSP48、18X18位乘法器跟隨48位累加器的可以作為通用DSP算法架構基礎的帶USB接口、F13管腳、F14管腳和A16管腳的FPGA芯片。

5.根據權利要求1所述一種基于FPGA的并網光伏系統小干擾穩定性判斷系統，其特征在于所述顯示單元是液晶顯示器。

6.一種基于FPGA的并網光伏系統小干擾穩定性判斷系統的工作方法，其特征在于包括以下步驟：

（1）電壓電流采集單元1和電壓電流采集單元2分別采集Boost直流變換單元和DC/AC交流變換單元輸出直流電壓、電流信號，將其分別送入FPGA芯片的F13管腳和F14管腳；

（2）中央處理單元的FPGA芯片的A16管腳通過電網電壓頻率相位檢測單元接收電網中的電壓頻率檢測信號；

（3）中央處理單元的FPGA芯片F13管腳和F14管腳接收步驟（1）、（2）的信號，并進行并網光伏系統特征值矩陣的計算，得到特征值的符號及大小；

（4）中央處理單元通過USB接口將步驟（3）得到的特征值大小在顯示單元上顯示。

7.根據權利要求6所述一種基于FPGA的并網光伏系統小干擾穩定性判斷系統的工作方法，其特征在于所述步驟（3）的并網光伏系統特征值的計算方法由以下步驟構成：

①建立并網光伏系統數學模型，包括工程用太陽能電池模型，逆變器控制模型：

建立工程用太陽能電池模型，標準測試條件為：

S_ref=1000W/m²,T_ref=25℃

則，光伏電池四個電氣參數I_scref、U_ocref、I_mref和U_mref的關系如下所示：

I=Iscref[1-C1(eU/(C2Uocref)-1)]C1=(1-ImrefIscref)e-Umref/(C2Uocref)C2=UmrefUocref-1/[1n](1-ImrefIscref)---(1)]]>

其中，S_ref為標準光照強度；T_ref為標準溫度；I_scref是短路電流；U_ocref是開路電壓；I_mref和U_mref是光伏電池獲得最大功率時的電流和電壓；C₁、C₂為中間變量；

若設光伏電池的四個電氣參數在不同的光照強度S和電池溫度T下分別為I'sc、U'oc、I'm和U'm，則方程(1)可變換為下述方程(2)：

T=Tair+kSI′SC=ISCSSref[1+a(T-Tref)]UOC′=UOC[1-c(T-Tref)][1+b(SSref-1)]Im′=ImSSref[1+a(T-Tref)]Um′=Um[1-c(T-Tref)][1+b(SSref-1)]---(2)]]>

其中，T_air是空氣溫度，k是溫度系數，其典型值0.03℃m²/W，a=0.0025/℃，b=-0.1949+0.00075，c=0.00288/℃；

以輸出電流為狀態變量，可得DC/AC交流變換單元的方程如下：

Ldidgdt=udk-udg+ωLiqgLdiqgdt=uqk-uqg-ωLidg---(3)]]>

其中，i_dg和i_qg為逆變器輸出電流，_udk和u_qk為逆變器輸出電壓，u_dg和u_qg為電網電壓，ω為角速度，L為濾波電感；

以電網電壓以q軸電壓為參考軸，此時，u_qg=u_g，則控制器方程(3)可以寫成如下方程（4）：

Udc*=Umref[1-c(T-Tref)][1+b(SSref-1)]dx1dt=Udc-Udc*iqg*=KP1(Udc-Udc*)+KI1x1dx2dt=iqg*-iqguqk*=KP2(iqg*-iqg)+KI2x2+ωLidg+uqgiqg*=0dx3dt=idg*-idgudk*=KP3(idg*-idg)+KI3x3-ωLiqg+udg---(4)]]>

其中，為光伏系統直流側參考電壓，U_dc為直流側實際電壓，T為實際溫度，S為實際光照強度，x₁，x₂和x₃為中間狀態變量，K_P1，K_I1為電壓環控制器參數，K_P2，K_I2，K_P3，K_I3為電流環控制器參數，為電網參考電流，為逆變器輸出參考電壓；

②聯立式(1)～(4)，并在穩態值附近線性化處理，得到全系統的數的控制參數，可以直接通過逆變器進行調節，并在逆變器控制板上予以顯示：

x=[x₁?x₂?x₃?i_dg?i_qg?u_dc]^T

A=000001K11000-1KP1000-10000a43a4400a51a5200a55a56000a64a65a66]]>

其中，a₄₃=K₁₃/(Lt_B),a₄₄=-K_P3/(Lt_B),a₅₁=K₁₁K_P2/(Lt_B)

a₅₅=-K_P2/(Lt_B),a₅₆=K_P1K_P2/(Lt_B)

a64=-iqg(0)XTCtBUdc(0),a65=iqg(0)2CtBUdc(0)XT2uqg(0)-XTidg(0)-uqg(0)CtBUdc(0)]]>

a66=-C1ISC(0)eUdc(0)/(C2UOC(0))CtBC2Uoc(0)+uqg(0)iqg(0)CtBUdc(0)2]]>

其中，t_B為系統運行時間，i_qg(0)，id_g(0)，U_dc(0)，u_qg(0)，I_SC(0)，U_OC(0)分別為電感有功電流，無功電流，直流側電壓，電網電壓直流分量，太陽能電池短路電流，開路電壓的初始值；

③根據步驟②得出的FPGA中狀態矩陣A的特征值計算方法，根據電壓電流采集單元1和電壓電流采集單元2中所采集到的Boost直流變換單元和DC/AC交流變換單元的輸出直流電壓、電流信號，計算出特征值的大小，并通過USB接口顯示液晶屏上。