基于FPGA 的太陽能并網(wǎng)逆變器的研究

時(shí)間：2018-05-31 10:15:06

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[導(dǎo)讀] 系統(tǒng)概述新能源發(fā)電成為21世紀(jì)解決能源危機(jī)的必經(jīng)出路，光伏發(fā)電、風(fēng)電、核電等新能源發(fā)電是目前新能源發(fā)電研究的幾大方向。這幾種新能源各有各的特點(diǎn)，我們選擇了最靠近我們的光伏發(fā)電作為研究出發(fā)點(diǎn)。目前光伏

系統(tǒng)概述

新能源發(fā)電成為21世紀(jì)解決能源危機(jī)的必經(jīng)出路，光伏發(fā)電、風(fēng)電、核電等新能源發(fā)電是目前新能源發(fā)電研究的幾大方向。這幾種新能源各有各的特點(diǎn)，我們選擇了最靠近我們的光伏發(fā)電作為研究出發(fā)點(diǎn)。

目前光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的研究愈加深入成熟，而關(guān)于光伏發(fā)電技術(shù)的具體應(yīng)用環(huán)節(jié)還是有著許多發(fā)揮余地。光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)是清潔安全、分布相對(duì)較為均勻、可持續(xù)利用。同時(shí)光伏發(fā)電也存在自己的問題，其中一個(gè)很重要的問題是光伏發(fā)電需要做的是收集輻射到地表的太陽能，這個(gè)環(huán)節(jié)需要占用大量的空間，這個(gè)問題使光伏發(fā)電的應(yīng)用有著自己的特點(diǎn)?，F(xiàn)在大多數(shù)的并網(wǎng)系統(tǒng)都是采用DSP控制， DSP往往靠一些特殊的指令處理復(fù)雜算法，這些指令局限于DSP控制器設(shè)計(jì)人員的預(yù)知范圍，而在FPGA中，用戶可以自由定義各種IP核，實(shí)現(xiàn)一些高效的復(fù)雜算法，由于與MATLAB在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上有對(duì)應(yīng)接口，設(shè)計(jì)起來也較為方便。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的光伏逆變系統(tǒng)，采用了FPGA作為主控芯片，控制BUCK做最大功率跟蹤，以及采用一個(gè)橋式電路，通過變壓器，將模擬的光伏電池板上的電能輸出到電網(wǎng)上。系統(tǒng)框架圖如下所示:

2 電路與程序設(shè)計(jì)

這里分模塊對(duì)電路各結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，介紹內(nèi)容包括電路拓?fù)洹⒖刂扑惴ㄒ约皽y(cè)量回路。系統(tǒng)主要可以分為兩部分，以拓?fù)鋪矸?，前端的BUCK主要實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤（MPPT）功能，后級(jí)的全橋通過鎖相、電流環(huán)反饋實(shí)現(xiàn)電能輸出。

2.1 MPPT設(shè)計(jì)

光伏電池板的輸出電壓有著很寬的工作范圍，而且可以根據(jù)需要進(jìn)行光伏板的串并聯(lián)，我們?cè)谀M光伏電池板工作時(shí)選取了額定電壓為60V、額定功率100W的光伏電池板。為了保證實(shí)驗(yàn)安全，輸出電壓控制在36V附近，然后通過變壓器輸送到電網(wǎng)去。出于以上考慮，我們選擇了Buck拓?fù)鋪碜鲎畲蠊β矢櫾O(shè)計(jì)。

基本的Buck拓?fù)渲胁捎昧硕O管作為續(xù)流通路。我們的電路輸出側(cè)工作在低壓大電流的條件下，如果采用基本的buck拓?fù)?，在二極管上會(huì)有很大損耗，極大的影響了效率。為了提高效率，我們采用Mosfet代替續(xù)流二極管，使續(xù)流的Mosfet和主開關(guān)管工作在互補(bǔ)工作狀態(tài)，替代了續(xù)流二極管的作用，極大地提高了效率。

2.1.1工作原理

電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：

電路工作主要波形如下：

假設(shè)條件：

電感電流連續(xù)；

輸出濾波電容兩端電壓恒定。

工作過程：

開關(guān)管M1開通時(shí)，開關(guān)管M2關(guān)斷：電流經(jīng)由開關(guān)管M1、電感L向負(fù)載供電，同時(shí)向電容充電。電感L在正向電壓作用下，電流線性上升。

開關(guān)管M1關(guān)斷時(shí)，開關(guān)管M2導(dǎo)通：電感L電流連續(xù)，電感電流不能突變，電流經(jīng)由開關(guān)管M2、電感L這個(gè)環(huán)路流通。電感L承受反壓，電感電流線性減小。電容放電，向負(fù)載提供電流，保證負(fù)載電流穩(wěn)定。

2.1.2理論公式

由電感L上的伏秒平衡可推得電路的電壓比M：

2.1.3 電路主要器件參數(shù)計(jì)算

Buck電路器件的核心是濾波電感的設(shè)計(jì)，我們關(guān)于電路器件的參數(shù)設(shè)計(jì)是圍繞此展開的。

濾波電感的工作參數(shù)：

最大平均工作電流：2.77A

由于通過電感的電流很大，電感很容易飽和。我們直接選取了實(shí)驗(yàn)室最大尺寸的磁芯EE40。由于繞制電感時(shí)，實(shí)驗(yàn)室最粗的線徑為0.71mm，我們只有選擇0.71mm。由于繞制電感時(shí)，并繞的股數(shù)不能過多。考慮到模型電路連續(xù)工作時(shí)間不會(huì)很長(zhǎng)，我們選取了較大的漆包線電流密度經(jīng)驗(yàn)值6~8A。我們選擇5股并繞，由公式計(jì)算0.71*0.71*5*8A=20.164A。這個(gè)設(shè)計(jì)值勉強(qiáng)能滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3.5 測(cè)量電路設(shè)計(jì)

電流測(cè)量電路設(shè)計(jì)

電流測(cè)量的可供選擇方案很多,常用的是運(yùn)用采樣電阻測(cè)量電流和電流霍爾測(cè)量電流方案。

系統(tǒng)的充電回路的過流量很大，采用電阻測(cè)量電流時(shí)，電阻發(fā)熱會(huì)很大，有明顯溫升，采樣電阻的阻值不穩(wěn)定，測(cè)量值誤差較大。由于控制回路對(duì)采樣電流測(cè)量的要求較高，這種測(cè)量方案不適宜。

我們選擇了霍爾電流測(cè)量電流的方案，霍爾電流測(cè)量方案同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)可供選擇的型號(hào)為TBC5LX、TBC10LX、TBC15LX等。其中TBC10LX的測(cè)量電流最大值為30A，恰好可以滿足我們測(cè)量需求。

霍爾電流傳感器輸入電流量，輸出電壓值。輸出電壓為4V/10A，考慮到AD采樣輸入電壓范圍，電流采樣后級(jí)加入同相放大電路做信號(hào)調(diào)理，實(shí)現(xiàn)信號(hào)電壓匹配。

考慮到對(duì)控制器的AD采樣端口的保護(hù)，在同相放大電路中選取了單5V供電的軌到軌運(yùn)放，限制了輸出電壓，起到了控制器采樣端口的保護(hù)作用。

電流測(cè)量電路的電路圖如下：

電壓測(cè)量電路設(shè)計(jì)

電壓常用的測(cè)量方案是分壓電阻測(cè)量方案和電壓霍爾測(cè)量方案。

由分壓電阻測(cè)量電壓隔離需要使用線性光耦，測(cè)量電路會(huì)復(fù)雜些。使用霍爾測(cè)量電壓更加簡(jiǎn)潔。我們選擇了電壓霍爾測(cè)量電路。

電壓霍爾輸出的是電流信號(hào)，可以直接通過接電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。這種方案很容易受到負(fù)載效應(yīng)的影響，測(cè)量精度差。電壓霍爾的輸出信號(hào)可以通過I-V轉(zhuǎn)換電路和反向電路轉(zhuǎn)換成與AD采樣端口電壓匹配的信號(hào)。

由于設(shè)計(jì)的電壓霍爾測(cè)量電路的信號(hào)中存在負(fù)壓信號(hào)，需要雙電源供電運(yùn)放，而雙電源供電的軌到軌運(yùn)放不常見。為了保護(hù)控制器的AD采樣端口，在電壓霍爾測(cè)量電路的輸出端加入了電壓鉗位電路，保護(hù)控制器的AD采樣端口。

電壓測(cè)量電路：

2.3.6 電路控制策略

充電控制主要實(shí)現(xiàn)MPPT跟蹤和蓄電池充電保護(hù)兩個(gè)功能，在允許范圍內(nèi)應(yīng)保證可以從光伏電池側(cè)獲得最大功率。

MPPT控制策略采用改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法[5]進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。BUCK輸出電壓與輸入電壓關(guān)系為，通過調(diào)節(jié)BUCK電路的占空比可以調(diào)節(jié)輸出電壓，進(jìn)而改變輸出功率，光伏電池電特性見圖2.3.6.1。

傳統(tǒng)的擾動(dòng)法很難實(shí)現(xiàn)步長(zhǎng)的自設(shè)定，要使系統(tǒng)具備比較優(yōu)越的性能，就要在非峰值點(diǎn)附近要增大調(diào)整步進(jìn)，在非峰值點(diǎn)附近要減小步進(jìn)。通過改變步進(jìn)，然后測(cè)得輸出功率變化量即可以知道步進(jìn)變化對(duì)輸出功率的影響。即輸出電壓與功率的斜率，峰值點(diǎn)處得斜率為零，大處，說明離峰值點(diǎn)較遠(yuǎn)，可以增大步進(jìn)，同理小處離峰值點(diǎn)近，應(yīng)減小步進(jìn)，將步進(jìn)整定為即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)自整定，由于存在斜率正負(fù)的問題只需取。

為了優(yōu)化控制系統(tǒng)，由于在電壓很低處輸出功率很小，可以適當(dāng)增大步進(jìn)，加速系統(tǒng)啟動(dòng)過程。在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)給一個(gè)小擾動(dòng)，使峰值發(fā)生變化時(shí)也能跟蹤到新的峰值點(diǎn)。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者出現(xiàn)過壓過流，則退出MPPT控制系統(tǒng)?？刂屏鞒桃妶D2.3.6.1 。

上述改進(jìn)型BUCK電路如果采用兩個(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng)互補(bǔ)的方式，除了降低損耗外還可以達(dá)到一些比較好的結(jié)果，比如不用考慮電流續(xù)流問題，因?yàn)殡娏骺梢栽陔娙萆系沽?。但反相電流增加了開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，只要電流倒流產(chǎn)生的損耗比通過傳統(tǒng)BUCK電路二極管管壓損耗小，整個(gè)系統(tǒng)相對(duì)來說損耗是減小的。推導(dǎo)過程和傳統(tǒng)算法一樣[6]，只是電感電流可為負(fù)。由于IR2111單路PWM波輸入時(shí)，可以輸出帶死區(qū)上下管驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在控制策略上只需要控制單路PWM輸出的占空比即可。

2. 2 逆變器設(shè)計(jì)

逆變器的拓?fù)淙缦聢D所示，通過控制通過電感上面的電流信號(hào)可以控制系統(tǒng)的輸出功率、功率因素以及相應(yīng)的諧波成分。目前簡(jiǎn)單的控制算法是電壓外環(huán)加電流內(nèi)環(huán)PI控制。復(fù)雜的有帶FIR濾波的重復(fù)控制、矢量控制（三相）等等。本控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的電壓電流環(huán)控制方法，通過鎖相查表的方式獲取波形數(shù)據(jù)，針對(duì)電網(wǎng)需求可以作一定量的無功補(bǔ)償。

2.2.1逆變器參數(shù)選取

單相逆變器由直流側(cè)、逆變橋及輸出濾波組成，單相逆變器簡(jiǎn)化拓?fù)淙鐖D2.2.1所示。逆變器控制模型中，參考正弦波和三角波比較得到的脈沖去控制各功率開關(guān)器件。由于開關(guān)狀態(tài)是不連續(xù)的，分析可采用狀態(tài)平均法，即用變量的平均值代替其瞬時(shí)值，從而得到連續(xù)狀態(tài)空間平均模型。

由于逆變器采用單相橋式電路，可以采用單極倍頻調(diào)制方式的，由狀態(tài)平均法分析可以得到直流電源電壓與A點(diǎn)電壓之間的關(guān)系式2.2.1，其中為采樣時(shí)刻的占空比，E為直流電源電壓。

為了將SPWM波的諧波分量濾除，在逆變器的輸出端加了LC濾波器，從而得到正弦交流信號(hào)，A、B兩點(diǎn)的電壓之間的傳遞函數(shù)可以寫成式2.2.2，其中r很小，電路設(shè)計(jì)時(shí)如果繞制電感內(nèi)阻相對(duì)負(fù)載電阻很小，則可以忽略這個(gè)量。

交流電感的選擇主要考慮抑制電流紋波和滿足動(dòng)態(tài)電流波形品質(zhì)，同時(shí)應(yīng)盡量減小電感，減小系統(tǒng)體積。

滿足抑制電流紋波要求，電感的選擇應(yīng)滿足：

滿足快速跟蹤基準(zhǔn)電流要求，電感應(yīng)滿足：

考慮到實(shí)際電感設(shè)計(jì)，系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)得出的電感為：

2.2.2 逆變器控制程序

系統(tǒng)的控制由在FPGA中完成。在FPGA中搭建一些硬件模塊，設(shè)計(jì)PWM的IP核，以及ADC的控制接口，然后通過片上控制器完成系統(tǒng)代碼程序。上電后先對(duì)系統(tǒng)各部分的初始化，然后進(jìn)入循環(huán)，掃描按鍵，執(zhí)行顯示程序。如果需要注入無功補(bǔ)償，通過系統(tǒng)的人機(jī)交互界面可以完成。

系統(tǒng)的控制主要在三個(gè)中斷函數(shù)中進(jìn)行。在Timer7的溢出中斷服務(wù)函數(shù)中完成電流大小的控制，首先進(jìn)行電流的檢測(cè)，測(cè)得的量可以通過主函數(shù)中的顯示程序執(zhí)行顯示功能。由于采樣頻率較高，然后通過PI調(diào)節(jié)可以瞬時(shí)地完成相應(yīng)電流輸出。完成測(cè)量后進(jìn)行電流或電壓的PI調(diào)節(jié)，輸出一個(gè)占空比指令。在采到過零比較輸出的上升沿后觸發(fā)邊沿中斷。由于改變DDS的頻率控制字可以同時(shí)完成相位和頻率的跟蹤，因而用PI調(diào)節(jié)可以將相位鎖住在某個(gè)點(diǎn)上。DDS中斷中主要完成掃描正弦表，進(jìn)行DDS相位累加。輸出功率通過保持直流母線上的電壓，可以知道輸出電流指令大小。系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。