經(jīng)典方案：光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　一、項(xiàng)目概述

　　1.1 項(xiàng)目摘要

　　系統(tǒng)以FPGA為控制核心，由MOSFET管全橋逆變電路以及其IR2110對(duì)其驅(qū)動(dòng)、SPWM（正弦脈寬調(diào)制）波的生成、電壓電流的檢測、相位頻率跟蹤等模塊組成。其中SPWM波由在FPGA內(nèi)部由軟件產(chǎn)生的三角波的正弦波經(jīng)數(shù)字比較器比較產(chǎn)生。通過改變正弦波的幅值來調(diào)節(jié)調(diào)制比，調(diào)節(jié)SPWM波的占空比，從而調(diào)節(jié)電壓來達(dá)到功率最大。采用MPPT算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功率最大跟蹤。此系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的欠壓和過流保護(hù)，同頻同相控制。

　　1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

　　隨著當(dāng)令能源的消耗日益劇增和傳統(tǒng)能源的日趨減少，以及使用傳統(tǒng)能源所帶來的一系列相關(guān)問題逐漸增加，如環(huán)境污染、溫室效應(yīng)等諸多問題，對(duì)于開發(fā)新能源的需求越來越大。光伏并網(wǎng)是太陽能利用的發(fā)展趨勢，光伏發(fā)電系統(tǒng)將主要用于調(diào)峰電站和屋頂光伏系統(tǒng)。在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器是核心部分。DC-AC逆變環(huán)節(jié)主要使輸出電流與電網(wǎng)電壓同相位，同剛獲得單位功率因數(shù)。

　　選題動(dòng)機(jī)：目前作為基礎(chǔ)設(shè)施的電力行業(yè)正在努力利用太陽能，為電力的發(fā)展注入新的生機(jī)與活力。光伏并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為時(shí)代的潮流和制約太陽能應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，本設(shè)計(jì)主要對(duì)光并網(wǎng)發(fā)電中的一些技術(shù)做了相關(guān)研究，本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了模擬光伏電源由直流轉(zhuǎn)換為單相交流電源的功能，具有最大功率點(diǎn)跟蹤功能和頻率相位跟蹤功能，另外增加了相關(guān)的保護(hù)和顯示功能。而且太陽能光伏發(fā)電市場受到各國政府的重視，國家扶持力度較大， 2011年7月30日中國首座利用太陽能發(fā)電的公安消防站投入使用，光伏發(fā)電具有較廣泛的前景。

　　二、需求分析

　　2.1 功能要求

　　設(shè)計(jì)并制作一個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。用直流穩(wěn)壓電源US和電阻RS模擬光伏電池，US=60V，RS=30Ω~36Ω；uREF為模擬電網(wǎng)電壓的正弦參考信號(hào)，其峰峰值為2V，頻率fREF為45Hz~55Hz；T為工頻隔離變壓器，變比為n2:n1=2:1、n3:n1=1:10，將uF作為輸出電流的反饋信號(hào)；負(fù)載電阻RL=30Ω~36Ω。

　　圖1 并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置框圖

　?。?）具有最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能：RS和RL在給定范圍內(nèi)變化時(shí)，使 ，相對(duì)偏差的絕對(duì)值不大于1%。

　?。?）具有頻率跟蹤功能：當(dāng)fREF在給定范圍內(nèi)變化時(shí)，使uF的頻率fF=fREF，相對(duì)偏差絕對(duì)值不大于1%。

　　（3）實(shí)現(xiàn)相位跟蹤功能：當(dāng)fREF在給定范圍內(nèi)變化以及加非阻性負(fù)載時(shí)，均能保證uF與uREF同相，相位偏差的絕對(duì)值≤5°。

　　2.2 性能標(biāo)準(zhǔn)

　?。?）當(dāng)RS=RL=30Ω時(shí)，DC-AC變換器的效率 ≥80%。

　?。?）當(dāng)RS=RL=30Ω時(shí)，輸出電壓uo的失真度THD≤1%。

　　（3）具有輸入欠壓保護(hù)功能，動(dòng)作電壓Ud（th）=（25±0.5）V。

　?。?）具有輸出過流保護(hù)功能，動(dòng)作電流Io（th）=（1.5±0.2）A。

　　（5）過流、欠壓故障排除后，裝置能自動(dòng)恢復(fù)為正常狀態(tài)。

　?。?）當(dāng)負(fù)載溫度過高時(shí)，系統(tǒng)停止工作。

　　三、方案設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

　　1.最大功率跟蹤方案

　　采經(jīng)典MPPT算法，對(duì)光伏電網(wǎng)的輸出電壓和電流進(jìn)行連續(xù)采樣，尋找P=U*I最大的點(diǎn)，即最大功率點(diǎn)。此方法變化步進(jìn)由模擬光伏電池輸出端的電壓變化速率決定，能夠快速逼近最大功率點(diǎn)。

　　2. DC-AC電路方案

　　我們使用FPGA產(chǎn)生SPWM波信號(hào)驅(qū)動(dòng)半橋或全橋DC-AC逆變器，經(jīng)輸出LC濾波后得到逆變信號(hào)。此方案中SPWM波的產(chǎn)生是由軟件實(shí)現(xiàn)的。DC- AC的逆變電路由分立元件搭建的，采用高速功率開關(guān)IRF540N及MOS管驅(qū)動(dòng)芯片IR2110搭建電路。通過調(diào)節(jié)調(diào)制比來調(diào)節(jié)MOS管的通斷，從而調(diào)節(jié)逆變電壓的大小。

　　3．同頻同相控制方案的實(shí)現(xiàn)

　　采用邊沿觸發(fā)法和數(shù)字反饋調(diào)節(jié)法進(jìn)行調(diào)整。分別對(duì)輸入?yún)⒖夹盘?hào)和反饋信號(hào)利用比較器整形之后，對(duì)其上升沿進(jìn)行檢測，這個(gè)操作由硬件實(shí)現(xiàn)得到其頻率和相位的差值，在FPGA內(nèi)部由數(shù)字反饋的方式對(duì)再對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)整，這些操作都由軟件實(shí)現(xiàn)。

　　4.欠壓、過流，溫度過高保護(hù)電路

　　通過檢測輸入電壓Ud，輸入電流Id和輸出電流Io的數(shù)值，用ADC0809轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)反饋到FPGA控制系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA控制繼電器的通斷來實(shí)現(xiàn)欠壓和過流保護(hù)。通過溫度傳感器對(duì)負(fù)載溫度進(jìn)行測量，當(dāng)溫度過高時(shí)控制繼電器斷開。

　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　5.單相全橋逆變電路及其驅(qū)動(dòng)電路

　　采用IR2110為半橋驅(qū)動(dòng)芯片，只需連接自舉電容，利用內(nèi)部自舉電路即可實(shí)現(xiàn)對(duì)橋路的驅(qū)動(dòng)，對(duì)于全橋電路只需將兩片IR2110驅(qū)動(dòng)各自的半橋即可。

　　6.電壓電流的測量

　　輸入電流的測量通過測量串入回路的小電阻的兩端的電壓，再由AD620放大100倍，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換再讓FPGA計(jì)算出當(dāng)時(shí)所檢測到的電流大小，并顯示；

　　7. 輸出端電流Io為交流，先同測輸入端電流方法一樣放大100倍后，再由AD637轉(zhuǎn)為直流電壓再同（2）中計(jì)算并顯示。

　　3.2 硬件資源配置

　　放大器使用AD620，有效值轉(zhuǎn)換使用AD637，A/D轉(zhuǎn)換使用ADC0809，最小系統(tǒng)使用FPGA，驅(qū)動(dòng)芯片使用IR2110，MOS管使用IR540，溫度傳感器使用ST公司贈(zèng)予的STEVAL-MKI062V2開發(fā)套件中的溫度傳感器，以及一些元器件

　　3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

　　三角波的生成：計(jì)數(shù)器從0000000000增到1111111111，再從1111111111減到0000000000，則可以得到一個(gè)10位的三角波。

　　正弦波生成：用MATLAB生成一個(gè)十位的mif文件，再把這1024個(gè)點(diǎn)產(chǎn)生1024個(gè)地址，把地址存入ROM中，讀出采樣數(shù)據(jù)即可得到所要正弦波。

　　SPWM波生成結(jié)構(gòu)框圖：

　　軟件架構(gòu)圖

　　SPWM波是由三角波與正弦波進(jìn)行比較，正弦波幅值大于三角波的幅值時(shí)，輸出高電平，反之輸出低電平。

　　3.4 系統(tǒng)軟件流程

　　FPGA通過檢測ADC0809上讀回來的的輸入電壓電流，和輸出電流，首先對(duì)這幾個(gè)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，比如電流值要通過計(jì)算得到，然后再比較是否欠壓和過流，如果欠壓或者過流了控制繼電器斷開，0.5s之后再一次檢測，如果沒有欠壓或者過流就直接進(jìn)行最大功率跟蹤，然后在液晶顯示屏上顯示出輸入電壓電流，輸出電流以及輸入功率。

　　程序運(yùn)行流程圖