三相光伏并网逆变器系统设计与FPGA实现

【摘要】：太阳能发电系统作为众多新能源的一种,以清洁和可持续的特点受到全球能源行业的追捧。光伏并网逆变器作为太阳能转换为交流电能的重要设备,是该系统的研究重点,也是本文完成的工作。DSP是一种具有特殊结构的微处理器,它以专用的硬件乘法器、流水线结构、丰富的资源和专用的PWM模块为特点对IGBT进行高效的控制。而FPGA作为硬件电路结构,完成需要大量计算的算法相对困难,但逻辑复杂的三相锁相环、MPPT和AD控制器则正好体现了FPGA硬件电路逻辑控制和时序控制的优势,与DSP完美互补。为了保证发电质量,DSP需要完成大量谐波抑制算法占用大量程序空间,所以本文提出并设计FPGA+DSP结构的控制系统,将三相锁相环和MPPT算法用FPGA实现,为DSP节约了大量程序空间。 DSP作为主处理器完成控制算法。FPGA作为系统的协处理器,完成三相锁相环和MPPT等光伏逆变器的关键算法。而IGBT核心控制由团队另一名同学使用DSP处理器完成。本文完成的工作为：1、文章首先介绍了选题的背景和光伏逆变器的发展,还有国内外近年发展的对比；2、详细推导了(α,β)两相静止坐标和(d,q)旋转坐标系下的数学表达式和模型得到相位差信号,再分析了PI控制器和数控振荡器的数学表达式；3、通过分析恒定电压法(CVT)、扰动观察法(PO)和电导增量法(IncCond)三种常用MPPT方式给出改进式扰动观察法MPPT的推导过程；4、同时完成工控组态MCGS触摸屏的设计与PLC通信；5、通过结合部分芯片选型阐述了FPGA+DSP控制系统和数据采集系统硬件原理图设计和PCB制作；6、详细介绍了流水线VERILOG HDL程序实现,同时给出了相关实验波形并对其分析,展示了系统运行结果。 本文设计的FPGA+DSP控制系统和数据采集系统,很好地在实验室环境下完成并网动作。另外这种设计对功率增加后续设计的扩展性有很大帮助。 【关键词】：光伏并网逆变器 MPPT 三相锁相环 FPGA+DSP
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM464;TM615
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-15
• 1.1 引言11-12
• 1.2 国内外现状12-13
• 1.3 光伏并网逆变器按拓扑级数分类13-14
• 1.4 论文的主要研究内容和章节安排14-15
• 第2章 三相锁相环以及MPPT技术简介15-29
• 2.1 三相锁相环原理与结构15-21
• 2.1.1 DQ坐标变换鉴相器16-18
• 2.1.2 环路滤波器和压控振荡器18
• 2.1.3 CORDIC算法18-21
• 2.2 光伏电池最大功率点追踪技术21-28
• 2.2.1 光伏电池特性与外界对其影响22-23
• 2.2.2 最大功率点追踪基本控制策略23-26
• 2.2.3 改进式扰动观察法26-28
• 2.3 本章小结28-29
• 第3章 三相光伏并网逆变器系统总体设计29-36
• 3.1 系统基本组成29-30
• 3.2 器件选型30-34
• 3.2.1 FPGA选型30-31
• 3.2.2 DSP选型31-33
• 3.2.3 其他外围芯片选型33
• 3.2.4 触摸屏选型33-34
• 3.3 系统总体硬件设计34-35
• 3.4 本章小结35-36
• 第4章 三相光伏并网逆变器硬件电路设计36-53
• 4.1 FPGA+DSP控制电路设计36-45
• 4.1.1 电源电路36-38
• 4.1.2 时钟电路38-39
• 4.1.3 配置电路39-41
• 4.1.4 A/D电路41-44
• 4.1.5 FPGA和DSP通信接口电路44-45
• 4.2 数据采集系统电路设计45-50
• 4.2.1 电流检测电路45-46
• 4.2.2 电压检测电路46-47
• 4.2.3 温度检测电路47-50
• 4.3 MCGS触控屏控制设计50-52
• 4.4 本章小结52-53
• 第5章 三相光伏并网逆变器相关算法FPGA实现53-70
• 5.1 三相锁相环设计53-59
• 5.1.1 CORDIC算法设计53-55
• 5.1.2 鉴相器的设计55-56
• 5.1.3 环路滤波器和数控振荡器设计56-59
• 5.2 三相锁相环在各种电网环境下的实现59-66
• 5.3 MPPT技术的FPGA实现66-67
• 5.4 AD控制器及双口ram控制器的FPGA实现67-69
• 5.5 本章小结69-70
• 总结与展望70-71
• 致谢71-72
• 参考文献72-76
• 攻读硕士学位期间发表论文76

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