基于MSP430和FPGA的風(fēng)光逆變并網(wǎng)系統(tǒng)
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)能和太陽能對電能進(jìn)行補(bǔ)給的方法，并且附帶快速檢測孤島效應(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。由全硬件完成對外網(wǎng)市電的倍頻工作，再由FPGA動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)輸出相位，讓輸出和外網(wǎng)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(yīng)檢測等功能。針對電力系統(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)計了無線檢測的功能，用戶能通過手機(jī)，計算機(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。
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)計一個風(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，并檢測外網(wǎng)交流電的頻率和相位，動態(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)計時考慮了發(fā)電機(jī)的內(nèi)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(fēng)力發(fā)電機(jī)，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(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)控實時動態(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。稍加改動即可廣泛應(yīng)用。
1 方案論證
1．1 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(見圖1)。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(jīng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
該結(jié)構(gòu)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(fù)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(fù)載上實現(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的可控開關(guān)。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(fù)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。
1．2 正弦波產(chǎn)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(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。
1．3 整體系統(tǒng)設(shè)計構(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，高性價比和高穩(wěn)定性的特點和模擬大功率的特點有機(jī)的結(jié)合，較好地實現(xiàn)了設(shè)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(shè)計的實際應(yīng)用環(huán)境和展現(xiàn)更加人性化的設(shè)計。總體方案見圖3。
2 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(gòu)成。為了減少損耗，同時又防止被反向擊穿，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(yīng)的截止頻率d.jpg設(shè)逆變器輸出電壓的基波為f0，最低次諧波頻率fk，f0
3 控制與算法設(shè)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(jī)，性價比高，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)測輸入電流、電壓，過流、欠壓時保護(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)。
3．1 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(jìn)算法、恒定電流及其改進(jìn)算法、擾動觀察法、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??；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(shè)定無法兼顧跟蹤精度和響應(yīng)速度，在最大功率點附近振蕩運(yùn)行，會導(dǎo)致一定功率損失。
3．2 基于FPGA的相位追蹤
該系統(tǒng)中產(chǎn)生的SPWM信號的正弦基波信號是FPGA內(nèi)部的地址每次累加1位，然后查詢FPGA內(nèi)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(chǎn)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(nèi)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(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量化值，直至兩路信號異或的結(jié)果完全為低為止。由于FPGA的高速運(yùn)算，整個相位的追蹤在兩個周期以內(nèi)可以完成，能滿足市場應(yīng)用的要求。
4 結(jié)語
該系統(tǒng)以MCU-FPGA為構(gòu)架，實現(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，方便今后直接大批量投入市場使用。
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