基于MCU-FPGA的风光逆变并网系统设计

摘要：为了缓解能源问题，在完全兼容现有供电系统的基础上，该系统采用风能和太阳能对电能进行补给的方法，并且附带快速检测孤岛效应，快速并网和断网的功能。系统的功率电路部分采用全桥拓扑进行逆变，数字控制系统采用MCU-FPGA构架。由全硬件完成对外网市电的倍频工作，再由FPGA动态调整系统输出相位，让输出和外网市电实现同相位。MCU完成对太阳能电池板的最大功率点追踪(MPPT)，发电端电压欠压检测以及孤岛效应检测等功能。针对电力系统强电的特性并结合当今热门的物联网技术，该系统人性化地设计了无线检测的功能，用户能通过手机，计算机或者手持式终端就可以了解当前系统状态。该系统创造性的设计方式既可以用于电厂的多能源并行发电，也适合家用，让家庭从用电的角色转变微型发电厂，从而大大的缓解能源问题。
关键词：风能；太阳能；孤岛效应；最大功率追踪；物联网

0 引言
近二百年来，人类利用煤、石油及天燃气作为能源，使生产力提高近200倍。然而化石能源逐步枯竭，而且污染等也很严重。随着能源问题的日益突出，寻找新型绿色能源已经是刻不容缓的问题。而在公认的绿色能源中，数太阳能和风能是最容易获取并高效利用的能源。
本文以太阳能，风能为中心，设计一个风光并网发电的模拟装置，能够将太阳能或者风能发电机的直流电压转换为交流电，并检测外网交流电的频率和相位，动态的调整自己的交流电的波形，使得与外网电能同频同相。该装置在设计时考虑了发电机的内阻。在测试时以60 V直流稳压电源模拟理想的太阳能电池板或者风力发电机，电源输入级串联一个30 Ω功率电阻模拟发电部分的内阻。
该装置体积小巧，成本低廉，易于量产，人界交互界面友好，并附带输入电压监控，输出过流监控实时动态相位监控等多种监控设置也使得该装置安全性能很好。稍加改动即可广泛应用。

1 方案论证
1．1 主功率电路拓扑方案
方案一：全桥逆变。
全桥由4只功率开关管管组成，分为2组，其中Q1和Q4为一组，Q2和Q3为一组，两组交替通断，输出交流方波电压经LC低通滤波器后得到交流正弦输出电压(见图1)。全桥型逆变器的输出滤波电容电压连续可测的。该电路输出经LC滤波后便能得到很好的波形。

方案二：双Boost DC／AC单级变换电路拓扑结构。
该结构由2个对称的电流双向流动的Boost DC／DC变换电路组成(见图2)。负载R跨接在两个电容之间，通过两边电流的双向流动，从而在负载上实现交流工频电压输出的效果。开关M1～M4均为由MOSFET和二极管组成的能量可以双向流动的可控开关。由于电路工作在完全对称的状态下，因此对L1和L2的选择特别敏感，如果不对称则会照成输出波形失真。
方案二在正弦的正半轴和负半轴是两个滤波电路完成的，所以在波形的失真度上完成有难度，而方案一是由同一个电感滤波得到的，滤波后正弦失真度非常小。故采用方案一。
1．2 正弦波产生方案
方案一：采用专用SPWM芯片实现逆变。
目前的SPWM专用芯片外围电路简单，易于实现。但是很难完成本系统中对市电相位追踪和调整。故不采用本方案。
方案二：使用FPGA生成SPWM波形。
此方案的优点是容易精确方便地控制输出正弦波的相位和幅度，而且外围电路更加简单，灵活方便。相对于方案一更优化，故选择此方案。
1．3 整体系统设计构架方案
总结上述选择的方案，这里选择以数字电路为主，配合简洁的模拟电路的结构。充分的把数字的高集成度，高准确度，高性价比和高稳定性的特点和模拟大功率的特点有机的结合，较好地实现了设计要求。并且拓展了无线监测功能，更加真实表现了本设计的实际应用环境和展现更加人性化的设计。总体方案见图3。