太陽能并網(wǎng)逆變器的方案設(shè)計(jì)，有完整硬件模塊以及算法

　　要實(shí)現(xiàn)把太陽能電池上的低直流電能能夠并網(wǎng)供電，就需要一種逆變裝置，這種逆變裝置要求能夠把低的直流電變換成與電網(wǎng)電壓幅度、頻率、相位均相同的正弦交流電，才能保證可靠的并網(wǎng)供電。而實(shí)現(xiàn)逆變的主要部分就是逆變控制器。本方案擬采用單片F(xiàn)PGA來實(shí)現(xiàn)太陽能并網(wǎng)逆變控制器的功能，其實(shí)現(xiàn)整體框圖如圖1所示。

　　首先數(shù)據(jù)采集芯片在FPGA的控制下采集的市電電壓與逆變器輸出電壓進(jìn)行鎖相，保證了逆變器輸出電壓與市電電壓保持相位一致，用鎖相環(huán)輸出的正弦信號作為電壓電流雙環(huán)控制的基準(zhǔn)信號。電壓電流控制環(huán)在基準(zhǔn)信號、濾波電感電流、輸出電壓的反饋信號的控制下通過PI調(diào)節(jié)等控制策略產(chǎn)生用于SPWM的調(diào)制波，該調(diào)制波與三角波通過SPWM產(chǎn)生模塊即可產(chǎn)生SPWM波作為全橋逆變開關(guān)管的開關(guān)控制信號。

　　芯片中還有用于DC-DC的PWM控制信號，通過采集DC-DC輸出電壓值來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PWM脈沖寬度，保證DC-DC輸出的高直流電壓的穩(wěn)定。輸入欠壓輸出過流保護(hù)模塊保證在光伏電池輸出電壓過低時(shí)、輸出過流時(shí)及時(shí)關(guān)斷SPWM和PWM信號，保證設(shè)備的安全。

　　1.電壓電流雙環(huán)控制

　　電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方案是高性能逆變電源的發(fā)展方向之一，雙環(huán)控制方案的電流內(nèi)環(huán)擴(kuò)大逆變器控制系統(tǒng)的帶寬，使得逆變器動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快，非線性負(fù)載適應(yīng)能力加強(qiáng)，輸出電壓的諧波含量減小。本設(shè)計(jì)擬采用以濾波電感電流為內(nèi)環(huán)被控量的電感電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)雙閉環(huán)控制。

　　電感電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)控制方式的控制原理框圖如圖2所示，電壓給定信號與輸出電壓反饋信號比較得到電壓誤差，經(jīng)過PI電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生電感電流給定信號，再與電感電流反饋信號比較而得的電流誤差信號經(jīng)過PI電流調(diào)節(jié)器形成控制量，對逆變器實(shí)施控制。

　　在這個(gè)雙環(huán)控制方案中，電流內(nèi)環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器的比例環(huán)節(jié)用來增加逆變器的阻尼系數(shù)，使整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并且保證有很強(qiáng)的魯棒性;電流調(diào)節(jié)器的積分環(huán)節(jié)用來使電流環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差小。電壓外環(huán)也采用PI調(diào)節(jié)器，電壓調(diào)節(jié)器的作用是使得輸出電壓波形瞬時(shí)跟蹤給定值。這種電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)雙環(huán)控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度十分快，并且靜態(tài)誤差較小。其FPGA內(nèi)部的硬件實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示。

　　圖3中PI控制器輸出信號m(t)與輸入信號e(t)的關(guān)系為：

　　則PI算法的S域的傳遞函數(shù)為：

　　其中， 、 分別為比例和積分環(huán)節(jié)系數(shù)，當(dāng)采樣周期很短時(shí)，映射到Z域有：

　　將

按泰勒級數(shù)展開，有：

　　若取泰勒級數(shù)展開式的前兩項(xiàng)，則PI算法的Z域傳遞函數(shù)為：

　　顯然，在離散系統(tǒng)中，積分表示累加求和，這樣我們就不難構(gòu)造工程上的硬件PI算法了。圖4是硬件PI算法結(jié)構(gòu)的運(yùn)算流程。

　　圖5所示為電壓外環(huán)電感電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制逆變系統(tǒng)輸出負(fù)載突變時(shí)的電壓電流SIMULINK仿真結(jié)果，從上到下依次為突加負(fù)載、突卸負(fù)載、負(fù)載不變的仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果中可以看出，在負(fù)載變化后，系統(tǒng)能較快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，并且在負(fù)載變化的前后，輸出的電壓值基本不變。這說明電壓外環(huán)電感電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制逆變系統(tǒng)不僅具有較好的動(dòng)態(tài)性能，也具有較好的穩(wěn)態(tài)性能。

　　2.SPWM波形產(chǎn)生

　　SPWM波產(chǎn)生原理如圖6所示，正弦基準(zhǔn)信號與三角載波進(jìn)行比較，當(dāng)正弦波大于三角波時(shí)，一路SPWM為正;當(dāng)正弦波小于三角波時(shí)，一路SPWM為負(fù)。實(shí)際中的與三角波進(jìn)行調(diào)制的并不是直接的正弦基準(zhǔn)信號，而是正弦基準(zhǔn)信號通過電壓電流雙閉環(huán)后產(chǎn)生的調(diào)制波U0與三角波進(jìn)行比較調(diào)制的，這樣才能保證對逆變輸出電壓的實(shí)時(shí)控制。AH、AL即為調(diào)制波與三角載波比較而來。

　　其三角載波可利用10位有符號可逆計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)的，利用其循環(huán)加減來產(chǎn)生數(shù)字化三角載波，即從-512計(jì)數(shù)到511，再從511返回到-512。加減計(jì)數(shù)器每進(jìn)行一次計(jì)數(shù)所需要的時(shí)間即為數(shù)字化三角載波周期的一半。因此，計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期TO、數(shù)字化三角載波峰峰值P以及三角載波周期TC三者之間的關(guān)系為：TC=2TOP。

　　由于開關(guān)管固有開關(guān)時(shí)間ts的影響，開通時(shí)間ton往往小于關(guān)斷時(shí)間toff，因此容易發(fā)生同臂兩開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通的短路故障。為避免這種故障的發(fā)生，通常要設(shè)置開關(guān)死區(qū)△t，以保證同橋臂上的一只開關(guān)管可靠關(guān)斷后，另一只開關(guān)管才能開通。本文中的死區(qū)設(shè)置原理如圖7所示，首先將調(diào)制波 加和減一個(gè)常數(shù) 分別得到 和 ，然后通過三角波與 比較得到AH，三角波與 比較得到AL，這樣就會得到一個(gè)死區(qū)，并且死區(qū)時(shí)間可通過常數(shù) 來調(diào)節(jié)， 越大，死區(qū)時(shí)間越長，反之越短。