基于FPGA 的太陽能并網(wǎng)逆變器的研究

　　上述改進型BUCK電路如果采用兩個MOSFET驅(qū)動互補的方式，除了降低損耗外還可以達到一些比較好的結(jié)果，比如不用考慮電流續(xù)流問題，因為電流可以在電容上倒流。但反相電流增加了開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，只要電流倒流產(chǎn)生的損耗比通過傳統(tǒng)BUCK電路二極管管壓損耗小，整個系統(tǒng)相對來說損耗是減小的。推導(dǎo)過程和傳統(tǒng)算法一樣[6]，只是電感電流可為負。由于IR2111單路PWM波輸入時，可以輸出帶死區(qū)上下管驅(qū)動信號，在控制策略上只需要控制單路PWM輸出的占空比即可。

　　2. 2 逆變器設(shè)計

　　逆變器的拓撲如下圖所示，通過控制通過電感上面的電流信號可以控制系統(tǒng)的輸出功率、功率因素以及相應(yīng)的諧波成分。目前簡單的控制算法是電壓外環(huán)加電流內(nèi)環(huán)PI控制。復(fù)雜的有帶FIR濾波的重復(fù)控制、矢量控制(三相)等等。本控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的電壓電流環(huán)控制方法，通過鎖相查表的方式獲取波形數(shù)據(jù)，針對電網(wǎng)需求可以作一定量的無功補償。

　　圖表 2.2.1逆變系統(tǒng)拓撲

　　2.2.1逆變器參數(shù)選取

　　單相逆變器由直流側(cè)、逆變橋及輸出濾波組成，單相逆變器簡化拓撲如圖2.2.1所示。逆變器控制模型中，參考正弦波

　　由于逆變器采用單相橋式電路，可以采用單極倍頻調(diào)制方式的，由狀態(tài)平均法分析可以得到直流電源電壓與A點電壓之間的關(guān)系式2.2.1，其中

　　為了將SPWM波的諧波分量濾除，在逆變器的輸出端加了LC濾波器，從而得到正弦交流信號，A、B兩點的電壓、

　　交流電感的選擇主要考慮抑制電流紋波和滿足動態(tài)電流波形品質(zhì)，同時應(yīng)盡量減小電感，減小系統(tǒng)體積。

　　滿足抑制電流紋波要求，電感的選擇應(yīng)滿足：

　　(其中為輸出直流側(cè)電壓，為開關(guān)周期，為諧波脈動電流峰值的最大允許值)

　　直流側(cè)最大電壓為，開關(guān)頻率為，最大電流有效值為

　　滿足快速跟蹤基準電流要求，電感應(yīng)滿足：

　　(其中為輸出直流側(cè)電壓，為交流電壓峰值，為正弦波基準電流峰值，為正弦電流角頻率)

　　取輸出交流電壓有效值，正弦波基準電流峰值

　　考慮到實際電感設(shè)計，系統(tǒng)最終設(shè)計得出的電感為：

　　2.2.2 逆變器控制程序

　　系統(tǒng)的控制由在FPGA中完成。在FPGA中搭建一些硬件模塊，設(shè)計PWM的IP核，以及ADC的控制接口，然后通過片上控制器完成系統(tǒng)代碼程序。上電后先對系統(tǒng)各部分的初始化，然后進入循環(huán)，掃描按鍵，執(zhí)行顯示程序。如果需要注入無功補償，通過系統(tǒng)的人機交互界面可以完成。

　　系統(tǒng)的控制主要在三個中斷函數(shù)中進行。在Timer7的溢出中斷服務(wù)函數(shù)中完成電流大小的控制，首先進行電流的檢測，測得的量可以通過主函數(shù)中的顯示程序執(zhí)行顯示功能。由于采樣頻率較高，然后通過PI調(diào)節(jié)可以瞬時地完成相應(yīng)電流輸出。完成測量后進行電流或電壓的PI調(diào)節(jié)，輸出一個占空比指令。在采到過零比較輸出的上升沿后觸發(fā)邊沿中斷。由于改變DDS的頻率控制字可以同時完成相位和頻率的跟蹤，因而用PI調(diào)節(jié)可以將相位鎖住在某個點上。DDS中斷中主要完成掃描正弦表，進行DDS相位累加。輸出功率通過保持直流母線上的電壓，可以知道輸出電流指令大小。系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。

　　圖 2.2.2 軟件流程圖

　　2.2.3電路設(shè)計

　　這部分描述逆變器除FPGA之外的電路原理圖，標明具體參數(shù)及采用器件。

　　2.2.3.1驅(qū)動電路設(shè)計

　　驅(qū)動電路采用IR2110來驅(qū)動開關(guān)管，由于控制信號要和主電路要電氣隔離，故這里選用74HC14反相器和HCP2630隔離光耦，具體電路圖如下圖所示：

　　圖2.2.3驅(qū)動電路原理圖

　　2.2.3.2交流電流信號調(diào)理電路設(shè)計

　　交流電流信號的調(diào)理電路的處理流程如下圖所示：

　　圖 2.2.4 交流電流信號調(diào)理電路流程圖

　　濾波電路的設(shè)計：設(shè)定截止頻率為開關(guān)頻率的1/5以下，通過Filter Solution軟件給出二階濾波器電路，結(jié)合實際器件，最終的濾波截止頻率為：

　　實際電路圖如下：

　　圖2.2.5 交流電流信號處理電路

　　2.2.3.3交流電壓信號調(diào)理電路設(shè)計

　　交流電壓信號需要得出峰值和相位，信號處理流程如下：

　　圖2.2.6 交流電壓信號調(diào)理電路流程圖

　　實際采用電路原理圖如下：

　　圖2.2.7 交流電壓過零比較和峰值檢測電路

　　2.2.3.4 直流電壓測量電路設(shè)計

　　輸出信號連接到下圖所示的線性隔離光耦電路，通過在HCNR201光耦輸入輸出配置運放可以實現(xiàn)線性放大。光耦主要是實現(xiàn)主電路與控制器的電氣隔離，從而保護FPGA的安全。

　　圖 2.2.4.2線性光耦測量電路原理圖