基于FPGA+Linux的光伏并网系统的设计与实现

摘要

在国家大力倡导清洁能源的大背景下，太阳能凭借其可再生、无污染和清洁性等特点，让世界各国兴起发展光伏发电产业浪潮。随着光伏发电技术的不断发展，设计稳定、集成度高且智能化的光伏并网系统，具有非常重要的实际意义。
　　本文以单相光伏并网系统作为主要研究对象，针对目前光伏并网控制系统的功能单一、模块复杂和可扩展性低等问题，本文提出了一种基于FPGA+Linux的光伏并网系统的设计方法，对内嵌双CPU架构的FPGA控制器进行研究与设计。在FPGA中，采用CPU0运行Linux系统实现光伏系统的远程监测功能、CPU1实现光伏并网控制功能的异构多处理器机制，实现了一款低功耗、高性能且智能化的光伏并网系统。
　　本文首先对光伏逆变器进行了分析，并给出了光伏并网系统的总体方案设计。通过在 MATLAB/SIMULINK中搭建了系统的仿真模型，并对仿真模型的正确性进行了有效验证。系统采用两级式架构，前级使用Boost变换电路泵升光伏电池的输出电压，并完成MPPT的控制，后级使用双闭环的控制方式实现光伏逆变。然后，本文对系统的软硬件分别进行了设计，并在FPGA CPU1的软件设计中，自定制了SPWM和CAP捕获等模块的IP核，而在CPU0中，移植了Linux系统、网络服务器和数据库等功能模块。最后，本文搭建了基于FPGA+Linux光伏并网系统的实验平台，经实验验证，系统基本完成了预期要求，此种设计具有一定的参考价值和实际意义。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外光伏并网系统的发展与研究现状

1.3 基于全可编程 FPGA的光伏并网系统的应用前景

1.4 论文研究目标和内容

第2章 光伏并网发电技术研究

2.1 系统总体方案设计

2.2 光伏电池特性分析

2.3 MPPT控制算法

2.4 单相两级式光伏并网系统分析

2.5 后级光伏逆变器并网控制

2.6 光伏并网系统的仿真与分析

2.7 本章小结

第3章 基于FPGA+Linux的光伏并网系统的硬件设计

3.1 系统硬件总体设计

3.2 FPGA ZedBorad开发板

3.3 FPGA SD卡电路

3.4 FPGA UART电路

3.5 全桥逆变电路设计

3.6 驱动电路设计

3.7 采样电路设计

3.8 过零比较电路设计

3.9 辅助电源电路设计

3.10 并网开关电路设计

3.11 保护电路设计

3.12 本章小结

第4章 基于FPGA+Linux的光伏并网控制系统的软件设计

4.1 CPU1软件总体架构

4.2 开发平台与工具介绍

4.3 SPWM波模块设计

4.4 CAP模块设计

4.5 MPPT模块设计

4.6 AD采样模块设计

4.7 孤岛保护模块设计

4.8 Vivado底层BitStream设计

4.9 本章小结

第5章 基于FPGA+Linux的光伏并网监测系统的软件设计

5.1 CPU0软件总体架构

5.2 制作设备树文件

5.3基于WEB的光伏监测系统设计

5.4 CPU0应用程序设计

5.5 异构多处理器启动和通信方式

5.6 本章小结

第6章 实验结果分析

6.1 整机调试与结果分析

6.2 SPWM驱动电路测试

6.3 过零比较与锁相电路测试

6.4 光伏并网实验测试

6.5 光伏监测Web网页测试

6.6 本章小结

总结与展望

工作总结

后期展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢