基于FPGA的独立光伏发电系统控制策略的研究
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摘要
能源面临危机,但经济依然要发展,对新能源的研究成了热门话题。太阳能发电因其储量丰富、洁净能源等特点得到广泛关注。但在太阳能发电研究的初期还面临着诸多的问题,如光伏电池成本高,发电效率低等,这些问题严重制约着太阳能发电的发展。提高太阳能发电的效率、降低成本是目前情况下解决这些问题的主要途径。
本系统为独立光伏发电系统,其中每一部分的控制可以相对独立,因此采用FPFA作为控制器,将每一部分作为一个模块并行控制,提高系统的速度。在PVsyst软件中对系统整体进行分析；在Pspice中进行外围硬件电路仿真；在quaitus ii中编写Verilog HDL语言进行硬件控制系统程序设计和波形仿真,并在DE2开发板上运用SignalTap_II逻辑分析仪进行在线验证。
本文研究的主要内容包括：(1)通过需求分析选择了独立光伏发电系统的运行方式。(2)为提高光伏电池的转换效率设计了太阳光跟踪系统。通过仿真分析选择单轴跟踪系统,验证了光伏电池作为光照强度传感器的可行性。采用步进电机作为执行部件,只需检测光照强度一个信号就能实现光线跟踪控制。(3)通过检测光伏电池输出功率,采用以开关管占空比为调节量的基于模糊控制的扰动观察法,在BOOST电路上实现最大功率跟踪,提高光伏组件的输出功率。(4)以稳定直流母线电压为主目标,选用双向DC/DC变换器对蓄电池进行充放电控制,实现蓄电池组件、光伏电池组件与负载之间的电能管理。其中,以占空比值为条件控制充放电过程转换,实现了平稳过渡。(5)采用推挽电路实现直流母线的升压,通过调节占空比实现闭环控制,实现输出电压的稳定。其中,采用两个相互对称的调制波与同一三角载波控制输出两路控制信号,省略了死区时间的设置。(6)采用单极性SPWM技术,在全桥电路上实现逆变,并通过调节调制比实现电压闭环控制,实现输出电压的稳定。
New energy research has become a hot topic.Because even if the energy is facing a crisis, but the economy is still to be developed. Solar power because of its rich reserves clean energy etc has been widespread concern. Early in the study of solar power also faces many problems, such as the high cost of photovoltaic cells, low power generation efficiency,these problems have seriously restricted the development of solar power. Improve the efficiency of solar power and reduce costs is the main way to solve these problems in the present circumstances.
This system is a stand-alone PV power generation system, in which each part of the control can be relatively independent, Therefore FPFA as the controller. Each part as a module to control,in parallel to improve system speed. Pspice in the conduct peripheral hardware circuit simulation; written in quartus ⅱ Verilog HDL language for hardware control system programming and waveform simulation, and DE2development board to use SignalTap_Ⅱ logic analyzer for online authentication.
In this paper, the main content:(1) Select the operating mode of the stand-alone PV power generation system by needs analysis.(2) Sunlight tracking system designed to improve the conversion efficiency of photovoltaic cells. Simulation analysis to select the single-axis tracking system to verify the feasibility of photovoltaic cells as light intensity sensor. By a stepping motor as the implementation of the components, only to detect a signal of the light intensity can be achieved ray tracing control.(3) Through the detection of PV cells output power, the switch duty cycle adjust the amount of perturbation and observation method based on fuzzy control, the BOOST circuit to achieve maximum power tracking, and improve the output power of PV modules.(4) The main goal, to stabilize the DC bus voltage to selected bi-directional DC/DC converter to control the charging and discharging of the battery through the line, battery components, photovoltaic electricity between the battery components and load management. Among them, the duty cycle value terms control the charging and discharging process conversion to achieve a smooth transition.(5) Push-pull circuit to achieve the boost of the DC bus by adjusting the duty cycle to achieve closed-loop control, the output voltage stable. Among them, the two symmetric modulation wave with the same triangular carrier control the output of two control signals, and omitted the dead time settings.(6) Unipolar SPWM inverter full-bridge circuit, and by adjusting the scheduling value voltage closed-loop control, the stability of the output voltage.
本系统为独立光伏发电系统,其中每一部分的控制可以相对独立,因此采用FPFA作为控制器,将每一部分作为一个模块并行控制,提高系统的速度。在PVsyst软件中对系统整体进行分析；在Pspice中进行外围硬件电路仿真；在quaitus ii中编写Verilog HDL语言进行硬件控制系统程序设计和波形仿真,并在DE2开发板上运用SignalTap_II逻辑分析仪进行在线验证。
本文研究的主要内容包括：(1)通过需求分析选择了独立光伏发电系统的运行方式。(2)为提高光伏电池的转换效率设计了太阳光跟踪系统。通过仿真分析选择单轴跟踪系统,验证了光伏电池作为光照强度传感器的可行性。采用步进电机作为执行部件,只需检测光照强度一个信号就能实现光线跟踪控制。(3)通过检测光伏电池输出功率,采用以开关管占空比为调节量的基于模糊控制的扰动观察法,在BOOST电路上实现最大功率跟踪,提高光伏组件的输出功率。(4)以稳定直流母线电压为主目标,选用双向DC/DC变换器对蓄电池进行充放电控制,实现蓄电池组件、光伏电池组件与负载之间的电能管理。其中,以占空比值为条件控制充放电过程转换,实现了平稳过渡。(5)采用推挽电路实现直流母线的升压,通过调节占空比实现闭环控制,实现输出电压的稳定。其中,采用两个相互对称的调制波与同一三角载波控制输出两路控制信号,省略了死区时间的设置。(6)采用单极性SPWM技术,在全桥电路上实现逆变,并通过调节调制比实现电压闭环控制,实现输出电压的稳定。
New energy research has become a hot topic.Because even if the energy is facing a crisis, but the economy is still to be developed. Solar power because of its rich reserves clean energy etc has been widespread concern. Early in the study of solar power also faces many problems, such as the high cost of photovoltaic cells, low power generation efficiency,these problems have seriously restricted the development of solar power. Improve the efficiency of solar power and reduce costs is the main way to solve these problems in the present circumstances.
This system is a stand-alone PV power generation system, in which each part of the control can be relatively independent, Therefore FPFA as the controller. Each part as a module to control,in parallel to improve system speed. Pspice in the conduct peripheral hardware circuit simulation; written in quartus ⅱ Verilog HDL language for hardware control system programming and waveform simulation, and DE2development board to use SignalTap_Ⅱ logic analyzer for online authentication.
In this paper, the main content:(1) Select the operating mode of the stand-alone PV power generation system by needs analysis.(2) Sunlight tracking system designed to improve the conversion efficiency of photovoltaic cells. Simulation analysis to select the single-axis tracking system to verify the feasibility of photovoltaic cells as light intensity sensor. By a stepping motor as the implementation of the components, only to detect a signal of the light intensity can be achieved ray tracing control.(3) Through the detection of PV cells output power, the switch duty cycle adjust the amount of perturbation and observation method based on fuzzy control, the BOOST circuit to achieve maximum power tracking, and improve the output power of PV modules.(4) The main goal, to stabilize the DC bus voltage to selected bi-directional DC/DC converter to control the charging and discharging of the battery through the line, battery components, photovoltaic electricity between the battery components and load management. Among them, the duty cycle value terms control the charging and discharging process conversion to achieve a smooth transition.(5) Push-pull circuit to achieve the boost of the DC bus by adjusting the duty cycle to achieve closed-loop control, the output voltage stable. Among them, the two symmetric modulation wave with the same triangular carrier control the output of two control signals, and omitted the dead time settings.(6) Unipolar SPWM inverter full-bridge circuit, and by adjusting the scheduling value voltage closed-loop control, the stability of the output voltage.
引文
[1]郭天祥.基于ARM的太阳能电站控制器的研究[D].哈尔滨工程大学.2009,01.
[2]熊远生.太阳能光伏发电系统的控制问题研究[D].浙江工业大学.2009,12.
[3]管晓磊,徐颖.5KW光伏最大功率点跟踪电路的设计[J].电源世界.2011,08：50-53.
[4]张超,张学众,张志宏等.小功率独立光伏发电系统研究[J].低压电器.2010,14：19-23.
[5]李纬华.独立光伏发电系统研制[D].大连海事大学.2008,06.
[6]魏星,肖岚等.三相并网逆变器的LCL滤波器的设计[J].电力电子技术.2010,11：13-15.
[7]王要强,吴凤江等.带LCL输出滤波器的并网逆变器控制策略研究[J].中国电机工程学报.2011,04：34-39.
[8]彭双剑,罗安等.LCL滤波器的单相光伏并网控制策略[J].中国电机工程学报.2011,07：17-24.
[9]靳瑞敏.太阳能电池原理与应用[M].北京：北京大学出版社.2010,05.
[10]韩国太阳能光伏电池转换效率达19.7%.http://www.solarf.net/html/2012/technology/evaluation_4/63308.html
[12]方波,张武勤.基于PSpice的硅型光伏电池电特性仿真研究[J].通信电源技术.2009.09：64-66.
[13]周润景,张丽娜著.基于MATLAB与fuzzyTECH的模糊控制与神经网络设计[M].北京：电子工业出版社.2010,9.
[14]赵争鸣,刘建政等编著.太阳能光伏发电及其应用[M].科学出版社.2005,10.
[15]王立乔,孙孝峰编著.分布式发电系统的光伏发电技术[M],北京：机械工业出版社.2010.08.
[16]彭龙祥,卢勇等.模糊控制在光伏MPPT控制中的应用[J].仪器仪表用户.2011.01：30-33.
[17]谢子青,叶建美.基于模糊控制的太阳能发电MPPT控制技术[J].电源技术.2011,06：691-692.
[18]张礼胜,李全.基于模糊控制的光伏电池MPPT的设计[J].现代电子技术.2009,05：165-167.
[19]黄克亚.独立光伏发电系统最大功率点跟踪原理分析及仿真研究[J].电工电气.2011,02：22-25.
[20]邱艳伟.基于ARM的光伏发电系统研究[D].哈尔滨工程大学.2007,01.
[21]陈海,晁勤等.独立光伏发电系统充放电控制策略[J].可再生能源.2009,06：7-14.
[22]李明杨.独立光伏发电系统的控制策略及其应用研究[D].中南大学.2010,06.
[23]曹卫华,李明杨等.独立光伏发电系统高效充电控制器设计[J].浙江大学学报(工学 版).2010,07：1260-1265.
[24]张永飞.独立光伏发电系统蓄电池能量管理研究[D].浙江工业大学.2010,06.
[25]徐晓丹,白志峰.关于密封铅酸蓄电池充放电电路的研究[J].通信电源技术.2010,01：63-65.
[26]李黎明.光伏用VRLA蓄电池充放电策略的研究[D].中南大学.2011,05.
[27]张国驹,唐西胜等.基于互补PWM控制的Buck/Boost双向变换器在超级电容器储能中的应用[J].中国电机工程学报.2011,02：15-21.
[28]董宁铸,王维俊.铅酸蓄电池充放电参数检测电路的仿真与设计[J].后勤工程学院学报.2009,05：83-87.
[29]庞大钧.网络化智能型太阳能路灯控制器的研发[D].山东大学.2010,04.
[30]吴春华,张翼等.一种光伏独立发电控制系统[J].上海大学学报(自然科学版).2008,08：16-18.
[31]齐乐.单相光伏并网逆变器的研究与设计[D].西安科技大学.2011,06.
[32]Zhu Min,Yang Mengda.A Research of A New Technique on Hardwre Implementation of Control Algorithm of High-Subdivision for Stepper Motor[C].IEEE Conference on Industrial Electronics and Applicationsis.2010,05.
[33]Yuan Weihua,Chen Lan etc.Design of a Step-Motor Control System Based on FPGA[C].2007.
[34]Zhang Chenjun,Wu Xiaoguang.FPGA Soft-Core Based Step Motor Driving[C]. IEEE Conference on Industrial Electronics and Applicationsis.2010, 262.
[35]Sun jianping.An optimum layout scheme for photovoltaic cell arrays using PVSYST[C].International Conference on Mechatronic Science.Electric Engineering and Computer.2011,19-22.
[36]蒋华庆,田景奎等.采样自动跟踪系统对光伏电站电价的影响[J].电力建设.2009.06：76-78.
[37]杨莹,李志民.太阳能光伏建筑一体化(BIPV)系统发电效益评估研究[J].郑州大学学报(工学版).2011,03：48-51.
[38]王旭东,林济铿.基于网络简化的含分布式电源的配电网可靠性分析[J].电力系统自动化.2010.04：38-43.
[39]Unicersity of Geneva.User's Guide PVsyst Contextual Help.1994-2010.
[40]Andre Mermoud.PERFORMANCE ASSESSMENT OF A SIMULATION MODEL FOR PV MODULES OF ANAILABLE TECHNALAGY.2010,09.
[41]张东辉,严萍Pspice电路仿真中变压器模型的使用[J].电气应用.2007,01：21-26.
[42]白一鸣,孟宪尧.基于FPGA的太阳能自动跟踪控制系统[J].自动化技术与应 用.2009,9：26-27.
[43]丁伟,孙永荣.基于模糊算法的太阳能发电自动跟踪控制系统研究与设计[J].工业控制计算机.2010,05：67-70.
[44]县永平.常用3KW太阳能光伏发电系统设计方案[J].甘肃科技.2011,09：69-73.
[45]王恩,杨海柱等.700W独立光伏发电系统试验研究[J].电源技术.2010,05：85-88.
[46]Dragos Lungeanu,C. J.Richard Shi.Distributed Event-Driven Simulation of VHDL-SPICE Mixed-Signal Circuits.2001.
[47]JEAN-PIERRE DESCHAMPS.Synthesis of Arithmetic Circuits-FPGA,ASIC and Embedded Systems[M].Canada:A JOHN WILEY & SONS,INC.,PUBLICATION.
[48]张洪润,张亚凡等FPGA/CPLD应用设计200例(上、下册)[M].北京：北京航空航天大学出版社.2009.
[49]Peter Wilson著,杜生海等译FPGA设计实战[M].北京：人民邮电大学出版社.2009.
[50]刘岚,黄秋元等FPGA应用技术基础教程[M].北京：电子工业出版社.2009.
[51]杨跃FPGA应用开发实战技巧精粹[M].北京：人民邮电出版社.2009.
[52]王诚,吴继华.设计与验证———Verilog HDL[M]北京：人民邮电出版社.2006.
[53]John F.Wakerly原著,林生,葛红等.数字设计原理与实践.第4版[M].北京：机械工业出版社,2007,05.
[54]夏宇闻Verilog数字系统设计教程.第2版[M].北京：北京航空航天大学出版社.2008,06.
[55]吴厚航,深入浅出玩转FPGA[M]北京：北京航空航天大学出版社.2010.05.
[56]冼进Verilog HDL数字控制系统设计实例[M].北京：中国水利水电出版社.2007,04.
[57]2012中国居全球最大光伏市场分析：企业竞争力凸显,光伏本土竞争激烈http://www.solar-pv.cn/html/2012/cygc_0416/7687.html
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[28]董宁铸,王维俊.铅酸蓄电池充放电参数检测电路的仿真与设计[J].后勤工程学院学报.2009,05：83-87.
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[56]冼进Verilog HDL数字控制系统设计实例[M].北京：中国水利水电出版社.2007,04.
[57]2012中国居全球最大光伏市场分析：企业竞争力凸显,光伏本土竞争激烈http://www.solar-pv.cn/html/2012/cygc_0416/7687.html