基于MCU-FPGA的風光逆變并網(wǎng)系統(tǒng)設計

摘要：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(wǎng)和斷網(wǎng)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(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(wǎng)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(zhuǎn)變微型發(fā)電廠，從而大大的緩解能源問題。
關鍵詞：風能；太陽能；孤島效應；最大功率追蹤；物聯(lián)網(wǎng)

0 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(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(wǎng)發(fā)電的模擬裝置，能夠?qū)⑻柲芑蛘唢L能發(fā)電機的直流電壓轉(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。該裝置在設計時考慮了發(fā)電機的內(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(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)控設置也使得該裝置安全性能很好。稍加改動即可廣泛應用。

1 方案論證
1．1 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(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。
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。