基于MCU-FPGA的風(fēng)光逆變并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了緩解能源問題，在完全兼容現(xiàn)有供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)采用風(fēng)能和太陽能對(duì)電能進(jìn)行補(bǔ)給的方法，并且附帶快速檢測(cè)孤島效應(yīng)，快速并網(wǎng)和斷網(wǎng)的功能。系統(tǒng)的功率電路部分采用全橋拓?fù)溥M(jìn)行逆變，數(shù)字控制系統(tǒng)采用MCU-FPGA構(gòu)架。由全硬件完成對(duì)外網(wǎng)市電的倍頻工作，再由FPGA動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)輸出相位，讓輸出和外網(wǎng)市電實(shí)現(xiàn)同相位。MCU完成對(duì)太陽能電池板的最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)，發(fā)電端電壓欠壓檢測(cè)以及孤島效應(yīng)檢測(cè)等功能。針對(duì)電力系統(tǒng)強(qiáng)電的特性并結(jié)合當(dāng)今熱門的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，該系統(tǒng)人性化地設(shè)計(jì)了無線檢測(cè)的功能，用戶能通過手機(jī)，計(jì)算機(jī)或者手持式終端就可以了解當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)。該系統(tǒng)創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)方式既可以用于電廠的多能源并行發(fā)電，也適合家用，讓家庭從用電的角色轉(zhuǎn)變微型發(fā)電廠，從而大大的緩解能源問題。

引言

近二百年來，人類利用煤、石油及天燃?xì)庾鳛槟茉?，使生產(chǎn)力提高近200倍。然而化石能源逐步枯竭，而且污染等也很嚴(yán)重。隨著能源問題的日益突出，尋找新型綠色能源已經(jīng)是刻不容緩的問題。而在公認(rèn)的綠色能源中，數(shù)太陽能和風(fēng)能是最容易獲取并高效利用的能源。

本文以太陽能，風(fēng)能為中心，設(shè)計(jì)一個(gè)風(fēng)光并網(wǎng)發(fā)電的模擬裝置，能夠?qū)⑻柲芑蛘唢L(fēng)能發(fā)電機(jī)的直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電，并檢測(cè)外網(wǎng)交流電的頻率和相位，動(dòng)態(tài)的調(diào)整自己的交流電的波形，使得與外網(wǎng)電能同頻同相。該裝置在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻。在測(cè)試時(shí)以60 V直流穩(wěn)壓電源模擬理想的太陽能電池板或者風(fēng)力發(fā)電機(jī)，電源輸入級(jí)串聯(lián)一個(gè)30 Ω功率電阻模擬發(fā)電部分的內(nèi)阻。

該裝置體積小巧，成本低廉，易于量產(chǎn)，人界交互界面友好，并附帶輸入電壓監(jiān)控，輸出過流監(jiān)控實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相位監(jiān)控等多種監(jiān)控設(shè)置也使得該裝置安全性能很好。稍加改動(dòng)即可廣泛應(yīng)用。

方案論證

1、主功率電路拓?fù)浞桨?/p>

方案一：全橋逆變。

全橋由4只功率開關(guān)管管組成，分為2組，其中Q1和Q4為一組，Q2和Q3為一組，兩組交替通斷，輸出交流方波電壓經(jīng)LC低通濾波器后得到交流正弦輸出電壓)。全橋型逆變器的輸出濾波電容電壓連續(xù)可測(cè)的。該電路輸出經(jīng)LC濾波后便能得到很好的波形。

方案二：雙Boost DC/AC單級(jí)變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)由2個(gè)對(duì)稱的電流雙向流動(dòng)的Boost DC/DC變換電路組成(見圖2)。負(fù)載R跨接在兩個(gè)電容之間，通過兩邊電流的雙向流動(dòng)，從而在負(fù)載上實(shí)現(xiàn)交流工頻電壓輸出的效果。開關(guān)M1～M4均為由MOSFET和二極管組成的能量可以雙向流動(dòng)的可控開關(guān)。由于電路工作在完全對(duì)稱的狀態(tài)下，因此對(duì)L1和L2的選擇特別敏感，如果不對(duì)稱則會(huì)照成輸出波形失真。

方案二在正弦的正半軸和負(fù)半軸是兩個(gè)濾波電路完成的，所以在波形的失真度上完成有難度，而方案一是由同一個(gè)電感濾波得到的，濾波后正弦失真度非常小。故采用方案一。

2、正弦波產(chǎn)生方案

方案一：采用專用SPWM芯片實(shí)現(xiàn)逆變。

目前的SPWM專用芯片外圍電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。但是很難完成本系統(tǒng)中對(duì)市電相位追蹤和調(diào)整。故不采用本方案。

方案二：使用FPGA生成SPWM波形。

此方案的優(yōu)點(diǎn)是容易精確方便地控制輸出正弦波的相位和幅度，而且外圍電路更加簡(jiǎn)單，靈活方便。相對(duì)于方案一更優(yōu)化，故選擇此方案。

3、整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)架方案

總結(jié)上述選擇的方案，這里選擇以數(shù)字電路為主，配合簡(jiǎn)潔的模擬電路的結(jié)構(gòu)。充分的把數(shù)字的高集成度，高準(zhǔn)確度，高性價(jià)比和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)和模擬大功率的特點(diǎn)有機(jī)的結(jié)合，較好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。并且拓展了無線監(jiān)測(cè)功能，更加真實(shí)表現(xiàn)了本設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和展現(xiàn)更加人性化的設(shè)計(jì)?？傮w方案見圖3。

主回路電器選擇以及參數(shù)計(jì)算

系統(tǒng)主回路由DC-AC變換器電路以及對(duì)輸入/輸出波形的整形和測(cè)量電路構(gòu)成。為了減少損耗，同時(shí)又防止被反向擊穿，主開關(guān)管選IRFB52N15(額定電流60A，耐壓150V，導(dǎo)通電阻32MΩ)。采用SPWM控制的逆變電路，輸出SPWM波中含有大量的高頻諧波，加上防止上下橋臂直通而設(shè)置的死區(qū)，開關(guān)時(shí)間和功率器件參數(shù)差異等因素，輸出電壓只能夠也含有一定的低次諧波，為了保證波形失真度盡可能低，必須采用輸出濾波器。全橋采用LC濾波，其中的感抗XL=ωL=2πfL，容抗XC=1/(ωC)=1/(2πfC)。令ωL=1/(ωC)，得到對(duì)應(yīng)的截止頻率

設(shè)逆變器輸出電壓的基波為f0，最低次諧波頻率fk，f0>1/(ωkC)，電感對(duì)諧波信號(hào)阻抗很大，電容對(duì)諧波信號(hào)的分流很大，即濾波器不允許諧波信號(hào)通過負(fù)載，一般取濾波器的截止頻率 fc=(3～5)f0，為了避免對(duì)某次諧波過度放大，取fc= 4.5f0=1 800 Hz，逆變器的輸出功率和輸出電壓求得負(fù)載阻抗RL，濾波器的標(biāo)稱特性阻抗R=(0.5～0.8)RL，則Lf=R/(4πfC)，Cf=Lf /R2= 1/(2πfCR)。實(shí)際電路中，L取200 μH，C=470μF。

控制與算法設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的MCU選擇的MSP430，MSP430系列是TI公司推出的超低功耗16單片機(jī)，性價(jià)比高，功能強(qiáng)，運(yùn)行的速度快，其工作電流不到1mA，而且其具有多種低功耗模式。該方案選用了MSP430F2618作為主控芯片，監(jiān)測(cè)輸入電流、電壓，過流、欠壓時(shí)保護(hù)和故障排除后恢復(fù)；采樣輸出電壓和電壓跟蹤最大功率；顯示當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)和輸出的相關(guān)數(shù)據(jù)。

1、最大功率追蹤算法

最大功率點(diǎn)跟蹤算法根據(jù)判斷原理和實(shí)現(xiàn)方法，大概可以歸納為六種：恒定電壓及其改進(jìn)算法、恒定電流及其改進(jìn)算法、擾動(dòng)觀察法、增量電導(dǎo)法、模糊邏輯控制算法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法。

擾動(dòng)觀察法是一種較為簡(jiǎn)單實(shí)用且容易實(shí)現(xiàn)的方法，其思想是通過周期性的給電源的輸出電壓加擾動(dòng)△V，測(cè)得電源的輸出電流和電壓，比較該采樣時(shí)刻的輸出功率 P(t)與前一采樣時(shí)刻輸出功率P(t-1)的大小;如果P(t)>P(t-1)，則在下一周期以同樣方向加擾動(dòng)，否則改變擾動(dòng)的方向，這樣逐步逼近最大功率點(diǎn)。但跟蹤步長(zhǎng)的設(shè)定無法兼顧跟蹤精度和響應(yīng)速度，在最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致一定功率損失。

2、基于FPGA的相位追蹤

該系統(tǒng)中產(chǎn)生的SPWM信號(hào)的正弦基波信號(hào)是FPGA內(nèi)部的地址每次累加1位，然后查詢FPGA內(nèi)存儲(chǔ)了正弦表的ROM，現(xiàn)將外部參考正弦信號(hào)和本系統(tǒng)自已產(chǎn)生的正弦波形通過比較器整形后的信號(hào)都輸入FPGA，通過FPGA內(nèi)部的異或門后得到的新信號(hào)，新信號(hào)為高表明兩路信號(hào)依然存在相位差，這時(shí)FPGA 內(nèi)部的地址累加器遞增2位，即讓自己產(chǎn)生的正弦波的相位向前遞增一個(gè)量化值，直至兩路信號(hào)異或的結(jié)果完全為低為止。由于FPGA的高速運(yùn)算，整個(gè)相位的追蹤在兩個(gè)周期以內(nèi)可以完成，能滿足市場(chǎng)應(yīng)用的要求。

結(jié)語

該系統(tǒng)以MCU-FPGA為構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)光逆變并網(wǎng)系統(tǒng)。系統(tǒng)充分利用了數(shù)字系統(tǒng)的計(jì)算精度，將逆變波形與外網(wǎng)市電的相位差控制在2°以內(nèi)，并且通過最大功率追蹤，讓太陽能電池板或者風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率達(dá)到最大。該系統(tǒng)成本低，體積小，且人性化設(shè)計(jì)，方便今后直接大批量投入市場(chǎng)使用。
審核編輯：彭菁