基于MCU-FPGA的風光逆變并網系統(tǒng)設計

為了緩解能源問題，在完全兼容現(xiàn)有供電系統(tǒng)的基礎上，該系統(tǒng)采用風能和太陽能對電能進行補給的方法，并且附帶快速檢測孤島效應，快速并網和斷網的功能。系統(tǒng)的功率電路部分采用全橋拓撲進行逆變，數(shù)字控制系統(tǒng)采用MCU-FPGA構架。由全硬件完成對外網市電的倍頻工作，再由FPGA動態(tài)調整系統(tǒng)輸出相位，讓輸出和外網市電實現(xiàn)同相位。MCU完成對太陽能電池板的最大功率點追蹤(MPPT)，發(fā)電端電壓欠壓檢測以及孤島效應檢測等功能。針對電力系統(tǒng)強電的特性并結合當今熱門的物聯(lián)網技術，該系統(tǒng)人性化地設計了無線檢測的功能，用戶能通過手機，計算機或者手持式終端就可以了解當前系統(tǒng)狀態(tài)。該系統(tǒng)創(chuàng)造性的設計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、石油及天燃氣作為能源，使生產力提高近200倍。然而化石能源逐步枯竭，而且污染等也很嚴重。隨著能源問題的日益突出，尋找新型綠色能源已經是刻不容緩的問題。而在公認的綠色能源中，數(shù)太陽能和風能是最容易獲取并高效利用的能源。

本文以太陽能，風能為中心，設計一個風光并網發(fā)電的模擬裝置，能夠將太陽能或者風能發(fā)電機的直流電壓轉換為交流電，并檢測外網交流電的頻率和相位，動態(tài)的調整自己的交流電的波形，使得與外網電能同頻同相。該裝置在設計時考慮了發(fā)電機的內阻。在測試時以60 V直流穩(wěn)壓電源模擬理想的太陽能電池板或者風力發(fā)電機，電源輸入級串聯(lián)一個30 Ω功率電阻模擬發(fā)電部分的內阻。

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

方案論證

1、主功率電路拓撲方案

方案一：全橋逆變。

全橋由4只功率開關管管組成，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)可測的。該電路輸出經LC濾波后便能得到很好的波形。

方案二：雙Boost DC/AC單級變換電路拓撲結構。

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

方案二在正弦的正半軸和負半軸是兩個濾波電路完成的，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、正弦波產生方案

方案一：采用專用SPWM芯片實現(xiàn)逆變。

目前的SPWM專用芯片外圍電路簡單，易于實現(xiàn)。但是很難完成本系統(tǒng)中對市電相位追蹤和調整。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單，靈活方便。相對于方案一更優(yōu)化，故選擇此方案。

3、整體系統(tǒng)設計構架方案

總結上述選擇的方案，這里選擇以數(shù)字電路為主，配合簡潔的模擬電路的結構。充分的把數(shù)字的高集成度，高準確度，高性價比和高穩(wěn)定性的特點和模擬大功率的特點有機的結合，較好地實現(xiàn)了設計要求。并且拓展了無線監(jiān)測功能，更加真實表現(xiàn)了本設計的實際應用環(huán)境和展現(xiàn)更加人性化的設計?？傮w方案見圖3。

主回路電器選擇以及參數(shù)計算

系統(tǒng)主回路由DC-AC變換器電路以及對輸入/輸出波形的整形和測量電路構成。為了減少損耗，同時又防止被反向擊穿，主開關管選IRFB52N15(額定電流60A，耐壓150V，導通電阻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置的死區(qū)，開關時間和功率器件參數(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)，得到對應的截止頻率

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

控制與算法設計

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，性價比高，功能強，運行的速度快，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)測輸入電流、電壓，過流、欠壓時保護和故障排除后恢復；采樣輸出電壓和電壓跟蹤最大功率；顯示當前系統(tǒng)狀態(tài)和輸出的相關數(shù)據(jù)。

1、最大功率追蹤算法

最大功率點跟蹤算法根據(jù)判斷原理和實現(xiàn)方法，大概可以歸納為六種：恒定電壓及其改進算法、恒定電流及其改進算法、擾動觀察法、增量電導法、模糊邏輯控制算法及神經網絡控制算法。

擾動觀察法是一種較為簡單實用且容易實現(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△V，測得電源的輸出電流和電壓，比較該采樣時刻的輸出功率 P(t)與前一采樣時刻輸出功率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，否則改變擾動的方向，這樣逐步逼近最大功率點。但跟蹤步長的設定無法兼顧跟蹤精度和響應速度，在最大功率點附近振蕩運行，會導致一定功率損失。

2、基于FPGA的相位追蹤

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

結語

該系統(tǒng)以MCU-FPGA為構架，實現(xiàn)了風光逆變并網系統(tǒng)。系統(tǒng)充分利用了數(shù)字系統(tǒng)的計算精度，將逆變波形與外網市電的相位差控制在2°以內，并且通過最大功率追蹤，讓太陽能電池板或者風力發(fā)電機的發(fā)電效率達到最大。該系統(tǒng)成本低，體積小，且人性化設計，方便今后直接大批量投入市場使用。
審核編輯：彭菁