經(jīng)典方案分享，光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置的系統(tǒng)實現(xiàn)

一、項目概述

1.1 項目摘要

系統(tǒng)以FPGA為控制核心，由MOSFET管全橋逆變電路以及其IR2110對其驅(qū)動、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)電壓來達到功率最大。采用MPPT算法對系統(tǒng)進行功率最大跟蹤。此系統(tǒng)還實現(xiàn)系統(tǒng)的欠壓和過流保護，同頻同相控制。

1.2 項目背景/選題動機

隨著當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)。

選題動機：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)展注入新的生機與活力。光伏并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為時代的潮流和制約太陽能應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，本設(shè)計主要對光并網(wǎng)發(fā)電中的一些技術(shù)做了相關(guān)研究，本設(shè)計主要實現(xiàn)了模擬光伏電源由直流轉(zhuǎn)換為單相交流電源的功能，具有最大功率點跟蹤功能和頻率相位跟蹤功能，另外增加了相關(guān)的保護和顯示功能。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)計并制作一個光伏并網(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U_S和電阻R_S模擬光伏電池，U_S=60V，R_S=30Ω~36Ω；u_REF為模擬電網(wǎng)電壓的正弦參考信號，其峰峰值為2V，頻率f_REF為45Hz~55Hz；T為工頻隔離變壓器，變比為n₂:n₁=2:1、n₃:n₁=1:10，將u_F作為輸出電流的反饋信號；負載電阻R_L=30Ω~36Ω。

圖1 并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置框圖

（1）具有最大功率點跟蹤（MPPT）功能：R_S和R_L在給定范圍內(nèi)變化時，使 ，相對偏差的絕對值不大于1%。

（2）具有頻率跟蹤功能：當f_REF在給定范圍內(nèi)變化時，使u_F的頻率f_F=f_REF，相對偏差絕對值不大于1%。

（3）實現(xiàn)相位跟蹤功能：當f_REF在給定范圍內(nèi)變化以及加非阻性負載時，均能保證u_F與u_REF同相，相位偏差的絕對值≤5°。

2.2 性能標準

（1）當R_S=R_L=30Ω時，DC-AC變換器的效率 ≥80%。

（2）當R_S=R_L=30Ω時，輸出電壓u_o的失真度THD≤1%。

（3）具有輸入欠壓保護功能，動作電壓U_d（th）=（25±0.5）V。

（4）具有輸出過流保護功能，動作電流I_o（th）=（1.5±0.2）A。

（5）過流、欠壓故障排除后，裝置能自動恢復(fù)為正常狀態(tài)。

（6）當負載溫度過高時，系統(tǒng)停止工作。

三、方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

1.最大功率跟蹤方案

采經(jīng)典MPPT算法，對光伏電網(wǎng)的輸出電壓和電流進行連續(xù)采樣，尋找P=U*I最大的點，即最大功率點。此方法變化步進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。

2. DC-AC電路方案

我們使用FPGA產(chǎn)生SPWM波信號驅(qū)動半橋或全橋DC-AC逆變器，經(jīng)輸出LC濾波后得到逆變信號。此方案中SPWM波的產(chǎn)生是由軟件實現(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現(xiàn)

采用邊沿觸發(fā)法和數(shù)字反饋調(diào)節(jié)法進行調(diào)整。分別對輸入?yún)⒖夹盘柡头答佇盘柪帽容^器整形之后，對其上升沿進行檢測，這個操作由硬件實現(xiàn)得到其頻率和相位的差值，在FPGA內(nèi)部由數(shù)字反饋的方式對再對輸入信號進行相位調(diào)整，這些操作都由軟件實現(xiàn)。

4.欠壓、過流，溫度過高保護電路

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)字信號反饋到FPGA控制系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA控制繼電器的通斷來實現(xiàn)欠壓和過流保護。通過溫度傳感器對負載溫度進行測量，當溫度過高時控制繼電器斷開。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

5.單相全橋逆變電路及其驅(qū)動電路

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

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，再進行A/D轉(zhuǎn)換再讓FPGA計算出當時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)動芯片使用IR2110，MOS管使用IR540，溫度傳感器使用ST公司贈予的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:計數(shù)器從0000000000增到1111111111，再從1111111111減到0000000000，則可以得到一個10位的三角波。

正弦波生成：用MATLAB生成一個十位的mif文件，再把這1024個點產(chǎn)生1024個地址，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行比較，正弦波幅值大于三角波的幅值時，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，首先對這幾個值進行轉(zhuǎn)換，比如電流值要通過計算得到，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。

程序運行流程圖