CN103532167A - 基于fpga的并网光伏系统小干扰稳定性判断系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于FPGA的并网光伏系统小干扰稳定性判断系统，其特征在于它包括光伏阵列、Boost直流变换单元、DC/AC交流变换单元、滤波单元、接口电路、显示单元和中央处理单元；其工作方法包括：电压电流信号采集、检测、计算和显示；其优越性在于：①精度高，通用性强；②所需变量较少，易于实现；③硬件采用高性能的XC4VSX35型号的FPGA，可以进行高速运算，并提供准确的运算结果。

Description

基于FPGA的并网光伏系统小干扰稳定性判断系统及方法

(一）技术领域：

本发明用于并网光伏系统，涉及控制理论以及光伏并网技术领域，尤其一种基于FPGA（FieldProgrammableGateArray——现场可编程逻辑门阵列）的并网光伏系统小干扰稳定性判断系统及方法。

（二）背景技术：

由于世界能源紧缺和环境污染问题日益严重，光伏发电越来越受到全世界的广泛关注。光伏并网发电是世界光伏发电技术的发展趋势，是光伏产业步入大规模应用阶段，并成为电力工业核心部分的重要技术步骤。随着我国对光伏并网发电技术的不断重视和大力扶持，光伏并网发电将成为未来电力市场的一个重要组成部分。光伏发电同时作为分布式能源的一种，也是微网的重要组成部分。建设坚强的智能电网，更离不开光伏发电的支持。如今，并网光伏系统正在快速、成熟的发展，在电力系统的各方面都发挥着更加重要的作用。

大型化和规模化是目前光伏产业重要的发展趋势。目前制约光伏并网系统进一步迅猛发展的两个重要因素是光伏发电的间歇性和稳定性问题。由于并网光伏发电日趋重要，对光伏系统稳定的研究逐渐成为热点。光伏系统无时无刻不在遭受着小的扰动，一个系统想要稳定，首先要保证它的小干扰稳定性。因此，不少研究人员开始对光伏系统的小干扰稳定性进行分析。有些研究建立了光伏发电的单机无穷大系统模型，研究了大规模光伏发电对系统小干扰振荡特性的影响。有些对光伏发电独立运行进行了特征值和特征值灵敏度分析，计算了系统稳定边界。有些建立了利用LCL滤波的三相光伏滤波器的小干扰模型，研究了光伏电池输出电压、功率变化时对控制环灵敏度的影响，并进行了实验验证。这些分析并网光伏系统稳定性的研究，具有一些局限性：

（1）没有详细考虑光伏电池组的数学模型和并网逆变器控制模型。

（2）缺少对光伏发电系统稳定性的机理分析，也没有设计合适的控制器参数。

（三）发明内容：

本发明的目的在于设计一种基于FPGA的并网光伏系统小干扰稳定性判断系统及方法，它可以克服现有技术的不足，是一种结构简单，易操作，系统稳定性高的系统，且工作方法简单，可以准确地判断并网光伏系统稳定，并可以以此为依据，优化控制器参数。

本发明的技术方案：一种基于FPGA的并网光伏系统小干扰稳定性判断系统，包括电网，其特征在于它包括光伏阵列、Boost直流变换单元、DC/AC交流变换单元、滤波单元、接口电路、显示单元和中央处理单元；其中，所述Boost直流变换单元的输入端接收光伏阵列的输出电流，其输出端与DC/AC交流变换单元的输入端连接；所述滤波单元的输入端连接DC/AC交流变换单元的输出端，其输出端与电网相连；所述接口电路采集信号输出给中央处理单元，所述中央处理单元的输出端连接显示单元。

所述滤波单元是LC滤波器。

所述接口电路由电压电流采样单元1、电压电流采样单元2和电网电压频率相位检测单元构成；其中，所述电压电流采集单元1的输入端连接Boost直流变换单元的输出端，采集电压电流信号，其输出端连接中央处理单元的输入端；所述电压电流采集单元2的输入端连接滤波单元的输出端，采集电压电流信号，其输出端连接中央处理单元的输入端；所述电网电压频率相位检测单元的输入端连接电网，采集电网的电压频率相位信号，其输出端连接中央处理单元的输入端。

所述中央处理单元由Xilinx公司的virtex-4系列FPGA芯片

XC4VSX35构成；所述Xilinx公司Virtex-4系列FPGA是采用高级硅模块架构、高性能RISC的CPU、嵌入式块RAM，高速串行I/O口、包含两个DSP48、18X18位乘法器跟随48位累加器的可以作为通用DSP算法架构基础的带USB接口、F13管脚、F14管脚和A16管脚的FPGA芯片。

所述显示单元是液晶显示器。

一种基于FPGA的并网光伏系统小干扰稳定性判断系统的工作方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）电压电流采集单元1和电压电流采集单元2分别采集Boost直流变换单元和DC/AC交流变换单元输出直流电压、电流信号，将其分别送入FPGA芯片的F13管脚和F14管脚；

（2）中央处理单元的FPGA芯片的A16管脚通过电网电压频率相位检测单元接收电网中的电压频率检测信号；

（3）中央处理单元的FPGA芯片F13管脚和F14管脚接收步骤（1）、（2）的信号，并进行并网光伏系统特征值矩阵的计算，得到特征值的符号及大小；

（4）中央处理单元通过USB接口将步骤（3）得到的特征值大小在显示单元上显示。

所述步骤（3）的并网光伏系统特征值的计算方法由以下步骤构成：

①建立并网光伏系统数学模型，包括工程用太阳能电池模型，逆变器控制模型：

建立工程用太阳能电池模型，标准测试条件为：

S_ref=1000W/m²,T_ref=25℃

则，光伏电池四个电气参数I_scref、U_ocref、I_mref和U_mref的关系如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}I=I_{\mathrm{scref}}[1-C_1(e^{U/\left(C_2{U}_{\mathrm{ocref}}\right)}-1)]\\ C_1=(1-\frac{I_{\mathrm{mref}}}{I_{\mathrm{scref}}})e^{-U_{\mathrm{mref}}/\left(C_2{U}_{\mathrm{ocref}}\right)}\\ C_2=\frac{U_{\mathrm{mref}}}{U_{\mathrm{ocref}}}-1/\left[1n\right](1-\frac{I_{\mathrm{mref}}}{I_{\mathrm{scref}}})\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，S_ref为标准光照强度；T_ref为标准温度；I_scref是短路电流；U_ocref是开路电压；I_mref和U_mref是光伏电池获得最大功率时的电流和电压；C₁、C₂为中间变量；

若设光伏电池的四个电气参数在不同的光照强度S和电池温度T下分别为I'sc、U'oc、I'm和U'm，则方程(1)可变换为下述方程(2)：

$\left\{\begin{array}{c}T=T_{\mathrm{air}}+\mathrm{kS}\\ {I^{\′}}_{\mathrm{SC}}=I_{\mathrm{SC}}\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}[1+a(T-T_{\mathrm{ref}})]\\ U_{\mathrm{OC}}^{\′}=U_{\mathrm{OC}}[1-c(T-T_{\mathrm{ref}})][1+b(\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}-1)]\\ I_m^{\′}=I_m\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}[1+a(T-T_{\mathrm{ref}})]\\ U_m^{\′}=U_m[1-c(T-T_{\mathrm{ref}})][1+b(\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}-1)]\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，T_air是空气温度，k是温度系数，其典型值0.03℃m²/W，a=0.0025/℃，b=-0.1949+0.00075，c=0.00288/℃；

以输出电流为状态变量，可得DC/AC交流变换单元的方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{dg}}}{\mathrm{dt}}=u_{\mathrm{dk}}-u_{\mathrm{dg}}+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_{\mathrm{qg}}\\ L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{qg}}}{\mathrm{dt}}=u_{\mathrm{qk}}-u_{\mathrm{qg}}-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_{\mathrm{dg}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，i_dg和i_qg为逆变器输出电流，u_dk和u_qk为逆变器输出电压，u_dg和u_qg为电网电压，ω为角速度，L为滤波电感；

以电网电压以q轴电压为参考轴，此时，u_qg=u_g，则控制器方程(3)可以写成如下方程（4）：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{dc}}^{*}=U_{\mathrm{mref}}[1-c(T-T_{\mathrm{ref}})][1+b(\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}-1)]\\ \frac{{\mathrm{dx}}_1}{\mathrm{dt}}=U_{\mathrm{dc}}-U_{\mathrm{dc}}^{*}\\ i_{\mathrm{qg}}^{*}=K_{P1}(U_{\mathrm{dc}}-U_{\mathrm{dc}}^{*})+K_{I1}{x}_1\\ \frac{{\mathrm{dx}}_2}{\mathrm{dt}}=i_{\mathrm{qg}}^{*}-i_{\mathrm{qg}}\\ u_{\mathrm{qk}}^{*}=K_{P2}(i_{\mathrm{qg}}^{*}-i_{\mathrm{qg}})+K_{I2}{x}_2+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_{\mathrm{dg}}+u_{\mathrm{qg}}\\ i_{\mathrm{qg}}^{*}=0\\ \frac{{\mathrm{dx}}_3}{\mathrm{dt}}=i_{\mathrm{dg}}^{*}-i_{\mathrm{dg}}\\ u_{\mathrm{dk}}^{*}=K_{P3}(i_{\mathrm{dg}}^{*}-i_{\mathrm{dg}})+K_{I3}{x}_3-{\mathrm{\ωLi}}_{\mathrm{qg}}+u_{\mathrm{dg}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，

为光伏系统直流侧参考电压，U_dc为直流侧实际电压，T为实际温度，S为实际光照强度，x₁，x₂和x₃为中间状态变量，K_P1，K_I1为电压环控制器参数，K_P2，K_I2，K_P3，K_I3为电流环控制器参数，

为电网参考电流，

为逆变器输出参考电压；

②联立式(1)～(4)，并在稳态值附近线性化处理，得到全系统的数学模型， $\frac{{\mathrm{d\Δ}}_x}{\mathrm{dt}}=\mathrm{A\Δx}$

其中，x为状态变量矩阵，A为状态矩阵；X₁，X₂，X₃为逆变器的控制参数，可以直接通过逆变器进行调节，并在逆变器控制板上予以显示：

x=[x₁ x₂ x₃ i_dg i_qg u_dc]^T

$A=\left[\begin{array}{cccccc}0& 0& 0& 0& 0& 1\\ K_{11}& 0& 0& 0& -1& K_{P1}\\ 0& 0& 0& -1& 0& 0\\ 0& 0& a_{43}& a_{44}& 0& 0\\ a_{51}& a_{52}& 0& 0& a_{55}& a_{56}\\ 0& 0& 0& a_{64}& a_{65}& a_{66}\end{array}\right]$

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)

$a_{64}=-\frac{i_{\mathrm{qg}\left(0\right)}{X}_T}{{\mathrm{Ct}}_B{U}_{\mathrm{dc}\left(0\right)}},a_{65}=\frac{i_{\mathrm{qg}\left(0\right)}^2}{{\mathrm{Ct}}_B{U}_{\mathrm{dc}\left(0\right)}}\frac{X_T^2}{u_{\mathrm{qg}\left(0\right)}-X_T{i}_{\mathrm{dg}\left(0\right)}}-\frac{u_{\mathrm{qg}\left(0\right)}}{{\mathrm{Ct}}_B{U}_{\mathrm{dc}\left(0\right)}}$

$a_{66}=-\frac{C_1{I}_{\mathrm{SC}\left(0\right)}{e}^{U_{\mathrm{dc}\left(0\right)}/\left(C_2{U}_{\mathrm{OC}\left(0\right)}\right)}}{{\mathrm{Ct}}_B{C}_2{U}_{\mathrm{oc}\left(0\right)}}+\frac{u_{\mathrm{qg}\left(0\right)}{i}_{\mathrm{qg}\left(0\right)}}{{\mathrm{Ct}}_B{U}_{\mathrm{dc}\left(0\right)}^2}$

其中，t_B为系统运行时间，i_qg(0)，i_dg(0)，U_dc(0)，u_qg(0)，I_SC(0)，U_OC(0)分别为电感有功电流，无功电流，直流侧电压，电网电压直流分量，太阳能电池短路电流，开路电压的初始值。

③根据步骤②得出的FPGA中状态矩阵A的特征值计算方法，根据电压电流采集单元1和电压电流采集单元2中所采集到的Boost直流变换单元和DC/AC交流变换单元的输出直流电压、电流信号，计算出特征值的大小，并通过USB接口显示液晶屏上。

本发明的工作原理：考虑了光伏电池组的数学模型和并网逆变器的控制模型，采用了通用的工程用光伏电池模型，逆变器采用了经典的双闭环PI控制，具有普遍性和通用性。它可以根据光伏电池四个出场参数（开路电压、短路电流、最大功率点处的电压、电流）、逆变器的PI控制器参数并采集直流电压、并网电流值，经过计算，通过计算结果来判断并网光伏系统的稳定性。它通过建立通用的光伏系统模型，并以李雅普诺夫渐进稳定性为理论依据，可以准确地判断并网光伏系统稳定，并可以以此为依据，优化控制器参数。

本发明的优越性在于：①建立了完整的并网光伏系统的数学模型，即保证了精度，又保证了一定的通用性；②只需要采集boost变换器和逆变器单元的输出直流电压、电流信号为输入，所需变量较少，易于实现；③硬件采用高性能的XC4VSX35型号的FPGA，可以进行高速运算，并提供准确的运算结果。

（四）附图说明：

图1为本发明所涉一种基于FPGA的并网光伏系统小干扰稳定性判断系统的整体结构框图。

图2为本发明所涉一种基于FPGA的并网光伏系统小干扰稳定性判断系统工作方法中控制策略结的构框图。

图3为本发明所涉一种基于FPGA的并网光伏系统小干扰稳定性判断系统工作方法的流程示意图。

（五）具体实施方式：

实施例：一种基于FPGA的并网光伏系统小干扰稳定性判断系统（见图1），包括电网，其特征在于它包括光伏阵列、Boost直流变换单元、DC/AC交流变换单元、滤波单元、接口电路、显示单元和中央处理单元；其中，所述Boost直流变换单元的输入端接收光伏阵列的输出电流，其输出端与DC/AC交流变换单元的输入端连接；所述滤波单元的输入端连接DC/AC交流变换单元的输出端，其输出端与电网相连；所述接口电路采集信号输出给中央处理单元，所述中央处理单元的输出端连接显示单元。

所述滤波单元（见图1）是LC滤波器。

所述接口电路（见图1）由电压电流采样单元1、电压电流采样单元2和电网电压频率相位检测单元构成；其中，所述电压电流采集单元1的输入端连接Boost直流变换单元的输出端，采集电压电流信号，其输出端连接中央处理单元的输入端；所述电压电流采集单元2的输入端连接滤波单元的输出端，采集电压电流信号，其输出端连接中央处理单元的输入端；所述电网电压频率相位检测单元的输入端连接电网，采集电网的电压频率相位信号，其输出端连接中央处理单元的输入端。

所述中央处理单元（见图1）由Xilinx公司的virtex-4系列FPGA芯片XC4VSX35构成；所述Xilinx公司Virtex-4系列FPGA是采用高级硅模块架构、高性能RISC的CPU、嵌入式块RAM，高速串行I/O口、包含两个DSP48、18X18位乘法器跟随48位累加器的可以作为通用DSP算法架构基础的带USB接口、F13管脚、F14管脚和A16管脚的FPGA芯片。

所述显示单元是液晶显示器。

一种基于FPGA的并网光伏系统小干扰稳定性判断系统的工作方法，其特征在于包括以下步骤（见图3）：

（1）电压电流采集单元1和电压电流采集单元2分别采集Boost直流变换单元和DC/AC交流变换单元输出直流电压、电流信号，将其分别送入FPGA芯片的F13管脚和F14管脚；

（2）中央处理单元的FPGA芯片的A16管脚通过电网电压频率相位检测单元接收电网中的电压频率检测信号；

（3）中央处理单元的FPGA芯片F13管脚和F14管脚接收步骤（1）、（2）的信号，并进行并网光伏系统特征值矩阵的计算，得到特征值的符号及大小；

（4）中央处理单元通过USB接口将步骤（3）得到的特征值大小在显示单元上显示。

所述步骤（3）的并网光伏系统特征值的计算方法由以下步骤构成（见图2）：

①建立并网光伏系统数学模型，包括工程用太阳能电池模型，逆变器控制模型：

建立工程用太阳能电池模型，标准测试条件为：

S_ref=1000W/m²,T_ref=25℃

则，光伏电池四个电气参数I_scref、U_ocref、I_mref和U_mref的关系如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}I=I_{\mathrm{scref}}[1-C_1(e^{U/\left(C_2{U}_{\mathrm{ocref}}\right)}-1)]\\ C_1=(1-\frac{I_{\mathrm{mref}}}{I_{\mathrm{scref}}})e^{-U_{\mathrm{mref}}/\left(C_2{U}_{\mathrm{ocref}}\right)}\\ C_2=\frac{U_{\mathrm{mref}}}{U_{\mathrm{ocref}}}-1/\left[1n\right](1-\frac{I_{\mathrm{mref}}}{I_{\mathrm{scref}}})\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，S_ref为标准光照强度；T_ref为标准温度；I_scref是短路电流；U_ocref是开路电压；I_mref和U_mref是光伏电池获得最大功率时的电流和电压；C₁、C₂为中间变量；

若设光伏电池的四个电气参数在不同的光照强度S和电池温度T下分别为I'sc、U'oc、I'm和U'm，则方程(1)可变换为下述方程(2)：

$\left\{\begin{array}{c}T=T_{\mathrm{air}}+\mathrm{kS}\\ {I^{\′}}_{\mathrm{SC}}=I_{\mathrm{SC}}\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}[1+a(T-T_{\mathrm{ref}})]\\ U_{\mathrm{OC}}^{\′}=U_{\mathrm{OC}}[1-c(T-T_{\mathrm{ref}})][1+b(\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}-1)]\\ I_m^{\′}=I_m\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}[1+a(T-T_{\mathrm{ref}})]\\ U_m^{\′}=U_m[1-c(T-T_{\mathrm{ref}})][1+b(\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}-1)]\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，T_air是空气温度，k是温度系数，其典型值0.03℃m²/W，a=0.0025/℃，b=-0.1949+0.00075，c=0.00288/℃；

以输出电流为状态变量，可得DC/AC交流变换单元的方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{dg}}}{\mathrm{dt}}=u_{\mathrm{dk}}-u_{\mathrm{dg}}+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_{\mathrm{qg}}\\ L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{qg}}}{\mathrm{dt}}=u_{\mathrm{qk}}-u_{\mathrm{qg}}-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_{\mathrm{dg}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，i_dg和i_qg为逆变器输出电流，u_dk和u_qk为逆变器输出电压，u_dg和u_qg为电网电压，ω为角速度，L为滤波电感；

以电网电压以q轴电压为参考轴，此时，u_qg=u_g，则控制器方程(3)可以写成如下方程（4）：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{dc}}^{*}=U_{\mathrm{mref}}[1-c(T-T_{\mathrm{ref}})][1+b(\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}-1)]\\ \frac{{\mathrm{dx}}_1}{\mathrm{dt}}=U_{\mathrm{dc}}-U_{\mathrm{dc}}^{*}\\ i_{\mathrm{qg}}^{*}=K_{P1}(U_{\mathrm{dc}}-U_{\mathrm{dc}}^{*})+K_{I1}{x}_1\\ \frac{{\mathrm{dx}}_2}{\mathrm{dt}}=i_{\mathrm{qg}}^{*}-i_{\mathrm{qg}}\\ u_{\mathrm{qk}}^{*}=K_{P2}(i_{\mathrm{qg}}^{*}-i_{\mathrm{qg}})+K_{I2}{x}_2+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_{\mathrm{dg}}+u_{\mathrm{qg}}\\ i_{\mathrm{qg}}^{*}=0\\ \frac{{\mathrm{dx}}_3}{\mathrm{dt}}=i_{\mathrm{dg}}^{*}-i_{\mathrm{dg}}\\ u_{\mathrm{dk}}^{*}=K_{P3}(i_{\mathrm{dg}}^{*}-i_{\mathrm{dg}})+K_{I3}{x}_3-{\mathrm{\ωLi}}_{\mathrm{qg}}+u_{\mathrm{dg}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，

为光伏系统直流侧参考电压，U_dc为直流侧实际电压，T为实际温度，S为实际光照强度，x₁，x₂和x₃为中间状态变量，K_P1，K_I1为电压环控制器参数，K_P2，K_I2，K_P3，K_I3为电流环控制器参数，

为电网参考电流，为逆变器输出参考电压；

②联立式(1)～(4)，并在稳态值附近线性化处理，得到全系统的数学模型， $\frac{\mathrm{d\Δx}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{A\Δx}$

其中，x为状态变量矩阵，A为状态矩阵；X₁，X₂，X₃为逆变器的控制参数，可以直接通过逆变器进行调节，并在逆变器控制板上予以显示：

x=[x₁ x₂ x₃ i_dg i_qg u_dc]^T

$A=\left[\begin{array}{cccccc}0& 0& 0& 0& 0& 1\\ K_{11}& 0& 0& 0& -1& K_{P1}\\ 0& 0& 0& -1& 0& 0\\ 0& 0& a_{43}& a_{44}& 0& 0\\ a_{51}& a_{52}& 0& 0& a_{55}& a_{56}\\ 0& 0& 0& a_{64}& a_{65}& a_{66}\end{array}\right]$

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)

$a_{64}=-\frac{i_{\mathrm{qg}\left(0\right)}{X}_T}{{\mathrm{Ct}}_B{U}_{\mathrm{dc}\left(0\right)}},a_{65}=\frac{i_{\mathrm{qg}\left(0\right)}^2}{{\mathrm{Ct}}_B{U}_{\mathrm{dc}\left(0\right)}}\frac{X_T^2}{u_{\mathrm{qg}\left(0\right)}-X_T{i}_{\mathrm{dg}\left(0\right)}}-\frac{u_{\mathrm{qg}\left(0\right)}}{{\mathrm{Ct}}_B{U}_{\mathrm{dc}\left(0\right)}}$

$a_{66}=-\frac{C_1{I}_{\mathrm{SC}\left(0\right)}{e}^{U_{\mathrm{dc}\left(0\right)}/\left(C_2{U}_{\mathrm{OC}\left(0\right)}\right)}}{{\mathrm{Ct}}_B{C}_2{U}_{\mathrm{oc}\left(0\right)}}+\frac{u_{\mathrm{qg}\left(0\right)}{i}_{\mathrm{qg}\left(0\right)}}{{\mathrm{Ct}}_B{U}_{\mathrm{dc}\left(0\right)}^2}$

其中，t_B为系统运行时间，^iq _g(0)，id_g(0)，U_dc(0)，u_qg(0)，I_SC(0)，U_OC(0)分别为电感有功电流，无功电流，直流侧电压，电网电压直流分量，太阳能电池短路电流，开路电压的初始值。

③根据步骤②得出的FPGA中状态矩阵A的特征值计算方法，根据电压电流采集单元1和电压电流采集单元2中所采集到的Boost直流变换单元和DC/AC交流变换单元的输出直流电压、电流信号，计算出特征值的大小，并通过USB接口显示液晶屏上。

Claims (7)

1.一种基于FPGA的并网光伏系统小干扰稳定性判断系统，包括电网，其特征在于它包括光伏阵列、Boost直流变换单元、DC/AC交流变换单元、滤波单元、接口电路、显示单元和中央处理单元；其中，所述Boost直流变换单元的输入端接收光伏阵列的输出电流，其输出端与DC/AC交流变换单元的输入端连接；所述滤波单元的输入端连接DC/AC交流变换单元的输出端，其输出端与电网相连；所述接口电路采集信号输出给中央处理单元，所述中央处理单元的输出端连接显示单元。

2.根据权利要求1所述一种基于FPGA的并网光伏系统小干扰稳定性判断系统，其特征在于所述滤波单元是LC滤波器。

3.根据权利要求1所述一种基于FPGA的并网光伏系统小干扰稳定性判断系统，其特征在于所述接口电路由电压电流采样单元1、电压电流采样单元2和电网电压频率相位检测单元构成；其中，所述电压电流采集单元1的输入端连接Boost直流变换单元的输出端，采集电压电流信号，其输出端连接中央处理单元的输入端；所述电压电流采集单元2的输入端连接滤波单元的输出端，采集电压电流信号，其输出端连接中央处理单元的输入端；所述电网电压频率相位检测单元的输入端连接电网，采集电网的电压频率相位信号，其输出端连接中央处理单元的输入端。

4.根据权利要求1所述一种基于FPGA的并网光伏系统小干扰稳定性判断系统，其特征在于所述中央处理单元由Xilinx公司的virtex-4系列FPGA芯片XC4VSX35构成；所述Xilinx公司Virtex-4系列FPGA是采用高级硅模块架构、高性能RISC的CPU、嵌入式块RAM，高速串行I/O口、包含两个DSP48、18X18位乘法器跟随48位累加器的可以作为通用DSP算法架构基础的带USB接口、F13管脚、F14管脚和A16管脚的FPGA芯片。

5.根据权利要求1所述一种基于FPGA的并网光伏系统小干扰稳定性判断系统，其特征在于所述显示单元是液晶显示器。

6.一种基于FPGA的并网光伏系统小干扰稳定性判断系统的工作方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）电压电流采集单元1和电压电流采集单元2分别采集Boost直流变换单元和DC/AC交流变换单元输出直流电压、电流信号，将其分别送入FPGA芯片的F13管脚和F14管脚；

（2）中央处理单元的FPGA芯片的A16管脚通过电网电压频率相位检测单元接收电网中的电压频率检测信号；

（3）中央处理单元的FPGA芯片F13管脚和F14管脚接收步骤（1）、（2）的信号，并进行并网光伏系统特征值矩阵的计算，得到特征值的符号及大小；

（4）中央处理单元通过USB接口将步骤（3）得到的特征值大小在显示单元上显示。

7.根据权利要求6所述一种基于FPGA的并网光伏系统小干扰稳定性判断系统的工作方法，其特征在于所述步骤（3）的并网光伏系统特征值的计算方法由以下步骤构成：

①建立并网光伏系统数学模型，包括工程用太阳能电池模型，逆变器控制模型：

建立工程用太阳能电池模型，标准测试条件为：

S_ref=1000W/m²,T_ref=25℃

则，光伏电池四个电气参数I_scref、U_ocref、I_mref和U_mref的关系如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}I=I_{\mathrm{scref}}[1-C_1(e^{U/\left(C_2{U}_{\mathrm{ocref}}\right)}-1)]\\ C_1=(1-\frac{I_{\mathrm{mref}}}{I_{\mathrm{scref}}})e^{-U_{\mathrm{mref}}/\left(C_2{U}_{\mathrm{ocref}}\right)}\\ C_2=\frac{U_{\mathrm{mref}}}{U_{\mathrm{ocref}}}-1/\left[1n\right](1-\frac{I_{\mathrm{mref}}}{I_{\mathrm{scref}}})\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，S_ref为标准光照强度；T_ref为标准温度；I_scref是短路电流；U_ocref是开路电压；I_mref和U_mref是光伏电池获得最大功率时的电流和电压；C₁、C₂为中间变量；

若设光伏电池的四个电气参数在不同的光照强度S和电池温度T下分别为I'sc、U'oc、I'm和U'm，则方程(1)可变换为下述方程(2)：

$\left\{\begin{array}{c}T=T_{\mathrm{air}}+\mathrm{kS}\\ {I^{\′}}_{\mathrm{SC}}=I_{\mathrm{SC}}\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}[1+a(T-T_{\mathrm{ref}})]\\ U_{\mathrm{OC}}^{\′}=U_{\mathrm{OC}}[1-c(T-T_{\mathrm{ref}})][1+b(\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}-1)]\\ I_m^{\′}=I_m\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}[1+a(T-T_{\mathrm{ref}})]\\ U_m^{\′}=U_m[1-c(T-T_{\mathrm{ref}})][1+b(\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}-1)]\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，T_air是空气温度，k是温度系数，其典型值0.03℃m²/W，a=0.0025/℃，b=-0.1949+0.00075，c=0.00288/℃；

以输出电流为状态变量，可得DC/AC交流变换单元的方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{dg}}}{\mathrm{dt}}=u_{\mathrm{dk}}-u_{\mathrm{dg}}+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_{\mathrm{qg}}\\ L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{qg}}}{\mathrm{dt}}=u_{\mathrm{qk}}-u_{\mathrm{qg}}-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_{\mathrm{dg}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，i_dg和i_qg为逆变器输出电流，_udk和u_qk为逆变器输出电压，u_dg和u_qg为电网电压，ω为角速度，L为滤波电感；

以电网电压以q轴电压为参考轴，此时，u_qg=u_g，则控制器方程(3)可以写成如下方程（4）：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{dc}}^{*}=U_{\mathrm{mref}}[1-c(T-T_{\mathrm{ref}})][1+b(\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}-1)]\\ \frac{{\mathrm{dx}}_1}{\mathrm{dt}}=U_{\mathrm{dc}}-U_{\mathrm{dc}}^{*}\\ i_{\mathrm{qg}}^{*}=K_{P1}(U_{\mathrm{dc}}-U_{\mathrm{dc}}^{*})+K_{I1}{x}_1\\ \frac{{\mathrm{dx}}_2}{\mathrm{dt}}=i_{\mathrm{qg}}^{*}-i_{\mathrm{qg}}\\ u_{\mathrm{qk}}^{*}=K_{P2}(i_{\mathrm{qg}}^{*}-i_{\mathrm{qg}})+K_{I2}{x}_2+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_{\mathrm{dg}}+u_{\mathrm{qg}}\\ i_{\mathrm{qg}}^{*}=0\\ \frac{{\mathrm{dx}}_3}{\mathrm{dt}}=i_{\mathrm{dg}}^{*}-i_{\mathrm{dg}}\\ u_{\mathrm{dk}}^{*}=K_{P3}(i_{\mathrm{dg}}^{*}-i_{\mathrm{dg}})+K_{I3}{x}_3-{\mathrm{\ωLi}}_{\mathrm{qg}}+u_{\mathrm{dg}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，

为光伏系统直流侧参考电压，U_dc为直流侧实际电压，T为实际温度，S为实际光照强度，x₁，x₂和x₃为中间状态变量，K_P1，K_I1为电压环控制器参数，K_P2，K_I2，K_P3，K_I3为电流环控制器参数，

为电网参考电流，

为逆变器输出参考电压；

②联立式(1)～(4)，并在稳态值附近线性化处理，得到全系统的数的控制参数，可以直接通过逆变器进行调节，并在逆变器控制板上予以显示：

x=[x₁ x₂ x₃ i_dg i_qg u_dc]^T

$A=\left[\begin{array}{cccccc}0& 0& 0& 0& 0& 1\\ K_{11}& 0& 0& 0& -1& K_{P1}\\ 0& 0& 0& -1& 0& 0\\ 0& 0& a_{43}& a_{44}& 0& 0\\ a_{51}& a_{52}& 0& 0& a_{55}& a_{56}\\ 0& 0& 0& a_{64}& a_{65}& a_{66}\end{array}\right]$

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)

$a_{64}=-\frac{i_{\mathrm{qg}\left(0\right)}{X}_T}{{\mathrm{Ct}}_B{U}_{\mathrm{dc}\left(0\right)}},a_{65}=\frac{i_{\mathrm{qg}\left(0\right)}^2}{{\mathrm{Ct}}_B{U}_{\mathrm{dc}\left(0\right)}}\frac{X_T^2}{u_{\mathrm{qg}\left(0\right)}-X_T{i}_{\mathrm{dg}\left(0\right)}}-\frac{u_{\mathrm{qg}\left(0\right)}}{{\mathrm{Ct}}_B{U}_{\mathrm{dc}\left(0\right)}}$

$a_{66}=-\frac{C_1{I}_{\mathrm{SC}\left(0\right)}{e}^{U_{\mathrm{dc}\left(0\right)}/\left(C_2{U}_{\mathrm{OC}\left(0\right)}\right)}}{{\mathrm{Ct}}_B{C}_2{U}_{\mathrm{oc}\left(0\right)}}+\frac{u_{\mathrm{qg}\left(0\right)}{i}_{\mathrm{qg}\left(0\right)}}{{\mathrm{Ct}}_B{U}_{\mathrm{dc}\left(0\right)}^2}$

其中，t_B为系统运行时间，i_qg(0)，id_g(0)，U_dc(0)，u_qg(0)，I_SC(0)，U_OC(0)分别为电感有功电流，无功电流，直流侧电压，电网电压直流分量，太阳能电池短路电流，开路电压的初始值；

③根据步骤②得出的FPGA中状态矩阵A的特征值计算方法，根据电压电流采集单元1和电压电流采集单元2中所采集到的Boost直流变换单元和DC/AC交流变换单元的输出直流电压、电流信号，计算出特征值的大小，并通过USB接口显示液晶屏上。

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