基于FPGA+ARM的分布式电源并网逆变控制器的设计

摘要

随着现代科技进步和社会快速发展，传统化石能源消费方面已经出现了供不应求的现象。又由于一次能源危机的发生和煤炭产业整体退步，使得社会各界都感觉到寻求新能源供给的重要性。现在新能源越来越被国内外专家和学者研究，特别是分布式发电系统技术，已经受到全世界极大的关注。分布式电源能够使用清洁的可再生能源进行发电，它的加速研究和技术突破会对世界范围内的能源供应和环境保护起到重大作用。
　　本文设计了基于FPGA+ARM的分布式电源并网控制器系统，系统的主要电路组成有三电平NPC逆变器系统模块、DC/DC变换系统模块、控制系统模块等。控制系统部分是由FPGA和ARM构成的处理内核和相应的信号采集系统模块及驱动电路系统模块组成。
　　本论文的主要内容是设计出基于FPGA+ARM协同处理的双处理器结构的驱动控制电路，利用现代数字信号处理器的强大数据运算能力和现场可编程阵列的积木式设计结构、快速的响应速度，将驱动控制电路进行高效集成，这不仅仅很大程度上减少系统外围电路和元器件，还能够明显的提升系统的处理速度和性能。FPGA+ARM架构具有两个强大的CPU，设计充分考虑这两个处理器各自具有的优势和特点，实现两者协同处理。其中ARM具有流水线设计方法、硬件乘法器、PWM模块等丰富的资源，利用实现IGBT控制算法;而FPGA能够实现硬件实逻辑和时序的精确高效控制，用于对AD采样模块、三相锁相环及MPPT模块的控制设计，这样最终实现FPGA和ARM功能上互补。另外，设计选用两级变换结构进，前一级采用升压式DC/DC变换电路来保证分布式电源的输出电压的稳定;后一级采用三电平NPC逆变器系统，实现输出电压DC/AC变换后进行并网。论文最后通过MATLAB对分布式电源并网逆变控制系统模型进行仿真，最终的验证系统控制策略的合理性和设计方案的可行性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外现状

1．2．1 分布式电源技术发展现状

1．2．2 分布式电源并网逆变器技术的研究现状

1．3 论文的主要研究内容

2 分布式电源技术

2．1 光伏发电技术

2．1．1 光伏电池等效模型

2．1．2 光伏电池MPPT控制

2．1．3 仿真分析

2．2 风力发电技术

2．2．1 风力机等效模型

2．2．2 同步发电机数学模型

2．2．3 风力发电机组机侧控制

2．2．4 仿真分析

2．3 微型燃气轮机

2．3．1 微型燃气轮机系统

2．3．2 微型燃气轮机模型

2．4 燃料电池

2．4．1 燃料电池系统

2．4．2 SOFC模型

2．5 本章小结

3 并网逆变器控制方法与策略

3．1 并网逆变器的传统无差拍控制

3．1．1 重复控制工作原理

3．1．2 无差拍控制数学模型

3．1．3 差拍控制和延时控制的不良影响

3．2 内置重复控制器的差拍控制

3．2．1 系统结构

3．2．2 补偿函数设计方法

3．3 仿真分析

3．4 本章小结

4 并网逆变器硬件系统设计

4．1 分布式并网控制系统总体结构

4．2 DC／DC变换电路

4．3 逆变系统电路

4．4 FPGA与ARM协同控制系统

4．4．1 FPGA芯片EP4CE6F17C8

4．4．2 ARM芯片S3C2410

4．4．3 FPGA和ARM的任务分配

4．4．4 电源电路设计

4．4．5 S3C2410液晶显示接口设计

4．4．6 S3C2410 RS232总线程序设计

4．4．8 S3C2410以太网总线程序设计

4．5 数据采集系统设计

4．6 检测系统电路设计

4．6．1 直流侧电压电流检测

4．6．2 交流侧电压电流检测

4．6．3 电压过零检测

4．6．4 温度检测

4．7 IGBT驱动电路设计

4．8 通讯接口设计

4．9 本章小结

5 并网逆变器软件系统设计

5．1 通信系统设计

5．2．1 锁相环工作原理

5．2．2 软件锁相环程序设计

5．3 SPWM软件程序设计

5．3．1 SPWM原理

5．3．2 SPWM软件设计的基本思想

5．4 本章小结

6 系统仿真及结果分析

7 总结与展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果