一种高控制带宽的光伏逆变器控制装置及方法与流程

本技术属于电力电子，具体涉及一种高控制带宽的光伏逆变器控制装置及方法。

背景技术：

1、随着新能源发电在电网中占比的不断提升，光伏逆变器作为连接光伏组件与电网的核心功率变换装置，其控制性能直接决定了光伏电站的电能质量、并网稳定性及运行性能指标。在复杂的电网环境下，逆变器控制系统需要具备极高的动态响应速度和精确的控制指令，以有效抑制电网扰动，保障发电系统的安全可靠运行。

2、现有技术的光伏逆变器控制装置开始逐渐采用mpu与fpga结合的架构。在该现有架构中，多核异构mpu承担了所有控制算法的计算任务，包括电压环、功率环控制以及电流环控制；而fpga仅作为一颗辅助接口芯片，主要负责响应mpu的指令，执行底层的外部adc采样数据读取，并将mpu计算好的pwm控制信号透传给功率模块。

3、然而，上述架构中电流环与电压环全部集中于一个mpu内以软件串行方式运行，运算速度受限于mpu主频及实时操作系统的任务调度周期。电网发生高频扰动时，mpu需依次计算电压环和电流环，控制指令输出延时显著，导致系统控制带宽被大幅压缩；受限于较低的控制带宽，逆变器难以对高频电网波动进行快速响应与有效抑制，严重影响并网稳定性。

技术实现思路

1、本技术针对现有技术中电流环与电压环全部集中于一个mpu内，导致控制带宽较低，难以对高频电网波动进行快速响应与有效抑制的问题，提供了一种高控制带宽的光伏逆变器控制装置及方法，通过将电流环计算任务转移至fpga执行，有效提高了系统控制带宽，从而实现了对高频电网波动的快速响应与有效抑制。

2、第一方面，为解决以上问题，本技术提供一种高控制带宽的光伏逆变器控制装置，包括多核异构mpu芯片、fpga芯片、外置adc采样芯片和光纤通信模块；

3、多核异构mpu芯片包括第一处理器和第二处理器，第一处理器用于执行电压环和功率环控制计算，第二处理器用于与外部监控设备进行数据交互；

4、fpga芯片包括数据预处理模块、锁相角插值模块和电流环控制模块，锁相角插值模块用于对电网锁相角进行插值补偿，电流环控制模块用于执行电流环控制计算并生成pwm调制指令；

5、外置adc采样芯片与数据预处理模块连接，数据预处理模块分别与第一处理器和电流环控制模块连接，第一处理器分别与锁相角插值模块和电流环控制模块连接，锁相角插值模块与电流环控制模块连接，电流环控制模块与光纤通信模块连接，光纤通信模块用于与功率模块连接。

6、与现有技术相比，本方案通过硬件架构的革新显著提升了系统控制带宽。现有技术中mpu需以软件串行方式执行内外环控制计算，导致控制延时大。而本方案将外环计算与监控交互分别交由多核异构mpu的第一处理器和第二处理器处理，并将电流环控制计算完全剥离至fpga内部执行。fpga中集成有数据预处理模块、锁相角插值模块和电流环控制模块，外置adc采样芯片采集的数据经预处理后，第一处理器生成的电流环给定参数、前馈电压与锁相角插值模块补偿后的实时锁相角，均直接送抵fpga内部的电流环控制模块，由其直接生成pwm调制指令并通过光纤通信模块下发至功率模块。该架构使电流环计算与输出在fpga内部形成高速闭环，极大改善了现有技术中mpu计算慢，跨芯片传输延时大的缺点，从而实现了对高频电网波动的快速响应与有效抑制。

7、进一步地，多核异构mpu芯片内设有共享内存区域，第一处理器和第二处理器均与共享内存区域连接；第一处理器上运行有rtos实时操作系统或裸机程序，第二处理器上运行有linux操作系统。通过共享内存区域实现第一处理器和第二处理器之间的高速数据交互，避免了外部总线通信的拥塞时延；同时，利用rtos或裸机保证实时控制任务的高效执行，利用linux系统处理复杂通信与监控任务，实现了实时控制与通用计算的物理隔离，互不干扰，显著提升了系统的响应速度与可靠性。

8、进一步地，多核异构mpu芯片还包括第三处理器，第三处理器与共享内存区域连接，且第三处理器与外部断路器连接，第三处理器上运行有裸机程序，第三处理器用于在第一处理器发生死机或者异常故障时，控制外部断路器断开。增设独立的第三处理器并搭载裸机程序，作为底层安全冗余备份。当负责实时控制的第一处理器发生死机等异常时，第三处理器可以直接绕过故障核心，独立输出控制信号驱动外部断路器断开，实现了硬件级的就地安全保护，有效防止了因主控芯片失效导致的系统装置失控和故障扩大，极大提升了逆变器运行的安全等级。

9、第二方面，本技术还提供一种高控制带宽的光伏逆变器控制方法，应用于高控制带宽的光伏逆变器控制装置，包括：

10、第一处理器以第一频率执行电压环和功率环控制计算，生成电流环给定参数、前馈电压及电网锁相角，并将电网锁相角发送至锁相角插值模块，将电流环给定参数和前馈电压发送至电流环控制模块；

11、锁相角插值模块基于电网锁相角进行插值补偿，得到实时锁相角；外置adc采样芯片采集逆变器实际电流，并将逆变器实际电流发送至数据预处理模块，数据预处理模块对逆变器实际电流进行预处理后，发送至电流环控制模块；

12、电流环控制模块根据电流环给定参数、前馈电压、实时锁相角和预处理后的逆变器实际电流，以第二频率执行电流环控制计算，生成pwm调制指令，并通过光纤通信模块发送至功率模块，其中，第二频率与第一频率的比值为大于1的正整数。

13、与现有技术相比，本方案通过内外环分频协同控制显著提升了系统控制带宽。现有技术中mpu需以软件串行方式依次执行内外环计算，导致采样和控制指令输出延时大、带宽受限。而本方法中，第一处理器以第一频率执行电压环和功率环控制计算，电流环控制模块则以第二频率执行电流环控制计算，且第二频率与第一频率的比值大于1，使得电流环计算频率远高于外环频率，大幅缩短了电流环的运算周期。同时，锁相角插值模块基于电网锁相角进行插值补偿，生成实时锁相角，消除了因内外环频率差导致的相位阶梯。由此，本方案实现了电流环的高频快速闭环控制，有效提高了系统控制带宽，从而实现了对高频电网波动的快速响应与有效抑制。

14、进一步地，比值为大于1且不超过20的正整数。将内外环频率差限定在1至20倍范围内，既大幅提升了电流环的运算速度，又避免因过高倍频带来的硬件算力负担，兼顾了高性能与工程可实现性。

15、进一步地，第一频率不低于3khz，第一处理器与fpga芯片之间的通信频率不低于第一频率；外置adc采样芯片的采样频率不低于第二频率。通过限定外环频率、通信频率及采样频率的下限，确保数据传输和采样速度始终快于计算速度，避免了数据拥堵或使用旧数据计算导致的滞后问题，保证了控制环路的高实时性和高带宽。

16、进一步地，锁相角插值模块基于电网锁相角进行插值补偿，包括：

17、根据电网基波频率、第一频率及比值计算相位增量步长；当电网锁相角为正向递增时，将电网锁相角与相位增量步长相加，若相加后的值大于2π，则减去2π；当电网锁相角为反向递减时，将电网锁相角与相位增量步长相减，若相减后的值小于0，则加上2π。通过计算相位增量步长并设定2π周期的溢出保护机制，精准消除了因高低频运算产生的相位阶梯，防止了跨周期时的相位突变，确保输出电流波形平滑连续，有效抑制了电网高频扰动。

18、进一步地，还包括：

19、第二处理器通过共享内存区域获取第一处理器的数据并上传至外部监控设备，并将外部监控设备下发的指令经协议转换后通过共享内存区域发送至第一处理器；第二处理器还基于第一处理器的数据运行预测模型，对逆变器的运行状态和设备寿命进行预测，生成告警信号。利用第二处理器的强算力实现监控通信与边缘计算，实现了设备状态及寿命的主动预测预警，帮助运维人员提前发现隐患，显著降低了非计划停机风险，提升了系统的智能化运维水平。

20、进一步地，还包括：

21、第三处理器通过共享内存区域实时监测第一处理器的运行状态，在第一处理器发生死机或者异常故障时，第三处理器控制外部断路器断开。利用第三处理器作为硬件级安全冗余，在主控处理器死机等极端异常情况下能够直接断开外部断路器，确保设备安全停机，有效防止了系统失控引发的事故，极大提升了系统的整体安全性。

22、进一步地，还包括：

23、功率模块接收到pwm调制指令后执行相应动作，采集自身的直流电压、温度和故障状态信息，并通过光纤通信模块反馈至fpga芯片。构建了完整的闭环反馈链路，功率模块将运行状态实时回传至fpga，既为系统提供了精确的在线保护依据，也为后续的预测模型提供了真实可靠的底层数据来源，保障了系统运行的闭环稳定性。

24、从以上技术方案可以看出，本技术具有以下优点：

25、1.显著提升系统控制带宽与响应速度：通过将电流环计算剥离至fpga内部执行，并利用锁相角插值模块消除内外环频率差导致的相位阶梯，实现了电流环的高频快速闭环控制，大幅提高了控制系统带宽，从而使得有效抑制高频电网波动或震荡成为可能。

26、2.提高系统运行可靠性与安全性：通过多核异构芯片的物理隔离，分别处理实时控制与监控通信任务，避免了任务间相互干扰；同时增设独立的第三处理器作为硬件级安全冗余，在主控核死机时可直接控制外部断路器断开，有效防止系统失控带来的故障扩大。

27、3.降低维护成本与停机风险：利用第二处理器运行预测模型，对逆变器运行状态及设备寿命进行在线预测并生成告警信号，帮助运维人员提前发现隐患，实现了从被动维修向主动预警的转变。

28、4.保障闭环控制的精准与稳定：通过限定频率、通信及采样频率的匹配关系，确保数据始终使用最新采样值进行计算；同时，功率模块将直流电压、温度及故障状态信息实时反馈至fpga，并传递给多核异构mpu芯片，为系统提供了精确的在线保护依据和真实数据来源，确保了系统长期运行的稳定性。

29、本技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术而了解。本技术的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

30、为使本技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。