经典方案：光伏并网发电装置的系统实现

　　一、项目概述

　　1.1 项目摘要

　　系统以FPGA为控制核心，由MOSFET管全桥逆变电路以及其IR2110对其驱动、SPWM（正弦脉宽调制）波的生成、电压电流的检测、相位频率跟踪等模块组成。其中SPWM波由在FPGA内部由软件产生的三角波的正弦波经数字比较器比较产生。通过改变正弦波的幅值来调节调制比，调节SPWM波的占空比，从而调节电压来达到功率最大。采用MPPT算法对系统进行功率最大跟踪。此系统还实现系统的欠压和过流保护，同频同相控制。

　　1.2 项目背景/选题动机

　　随着当令能源的消耗日益剧增和传统能源的日趋减少，以及使用传统能源所带来的一系列相关问题逐渐增加，如环境污染、温室效应等诸多问题，对于开发新能源的需求越来越大。光伏并网是太阳能利用的发展趋势，光伏发电系统将主要用于调峰电站和屋顶光伏系统。在光伏并网系统中，并网逆变器是核心部分。DC-AC逆变环节主要使输出电流与电网电压同相位，同刚获得单位功率因数。

　　选题动机：目前作为基础设施的电力行业正在努力利用太阳能，为电力的发展注入新的生机与活力。光伏并网发电已经成为时代的潮流和制约太阳能应用的关键技术，本设计主要对光并网发电中的一些技术做了相关研究，本设计主要实现了模拟光伏电源由直流转换为单相交流电源的功能，具有最大功率点跟踪功能和频率相位跟踪功能，另外增加了相关的保护和显示功能。而且太阳能光伏发电市场受到各国政府的重视，国家扶持力度较大， 2011年7月30日中国首座利用太阳能发电的公安消防站投入使用，光伏发电具有较广泛的前景。

　　二、需求分析

　　2.1 功能要求

　　设计并制作一个光伏并网发电模拟装置，其结构框图如图1所示。用直流稳压电源US和电阻RS模拟光伏电池，US=60V，RS=30Ω~36Ω；uREF为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为2V，频率fREF为45Hz~55Hz；T为工频隔离变压器，变比为n2:n1=2:1、n3:n1=1:10，将uF作为输出电流的反馈信号；负载电阻RL=30Ω~36Ω。

　　图1 并网发电模拟装置框图

　　（1）具有最大功率点跟踪（MPPT）功能：RS和RL在给定范围内变化时，使 ，相对偏差的绝对值不大于1%。

　　（2）具有频率跟踪功能：当fREF在给定范围内变化时，使uF的频率fF=fREF，相对偏差绝对值不大于1%。

　　（3）实现相位跟踪功能：当fREF在给定范围内变化以及加非阻性负载时，均能保证uF与uREF同相，相位偏差的绝对值≤5°。

　　2.2 性能标准

　　（1）当RS=RL=30Ω时，DC-AC变换器的效率 ≥80%。

　　（2）当RS=RL=30Ω时，输出电压uo的失真度THD≤1%。

　　（3）具有输入欠压保护功能，动作电压Ud（th）=（25±0.5）V。

　　（4）具有输出过流保护功能，动作电流Io（th）=（1.5±0.2）A。

　　（5）过流、欠压故障排除后，装置能自动恢复为正常状态。

　　（6）当负载温度过高时，系统停止工作。

　　三、方案设计

　　3.1 系统功能实现原理

　　1.最大功率跟踪方案

　　采经典MPPT算法，对光伏电网的输出电压和电流进行连续采样，寻找P=U*I最大的点，即最大功率点。此方法变化步进由模拟光伏电池输出端的电压变化速率决定，能够快速逼近最大功率点。

　　2. DC-AC电路方案

　　我们使用FPGA产生SPWM波信号驱动半桥或全桥DC-AC逆变器，经输出LC滤波后得到逆变信号。此方案中SPWM波的产生是由软件实现的。DC- AC的逆变电路由分立元件搭建的，采用高速功率开关IRF540N及MOS管驱动芯片IR2110搭建电路。通过调节调制比来调节MOS管的通断，从而调节逆变电压的大小。

　　3．同频同相控制方案的实现

　　采用边沿触发法和数字反馈调节法进行调整。分别对输入参考信号和反馈信号利用比较器整形之后，对其上升沿进行检测，这个操作由硬件实现得到其频率和相位的差值，在FPGA内部由数字反馈的方式对再对输入信号进行相位调整，这些操作都由软件实现。

　　4.欠压、过流，温度过高保护电路

　　通过检测输入电压Ud，输入电流Id和输出电流Io的数值，用ADC0809转化为数字信号反馈到FPGA控制系统中，FPGA控制继电器的通断来实现欠压和过流保护。通过温度传感器对负载温度进行测量，当温度过高时控制继电器断开。

　　系统硬件结构框图

　　5.单相全桥逆变电路及其驱动电路

　　采用IR2110为半桥驱动芯片，只需连接自举电容，利用内部自举电路即可实现对桥路的驱动，对于全桥电路只需将两片IR2110驱动各自的半桥即可。

　　6.电压电流的测量

　　输入电流的测量通过测量串入回路的小电阻的两端的电压，再由AD620放大100倍，再进行A/D转换再让FPGA计算出当时所检测到的电流大小，并显示；

　　7. 输出端电流Io为交流，先同测输入端电流方法一样放大100倍后，再由AD637转为直流电压再同（2）中计算并显示。

　　3.2 硬件资源配置

　　放大器使用AD620，有效值转换使用AD637，A/D转换使用ADC0809，最小系统使用FPGA，驱动芯片使用IR2110，MOS管使用IR540，温度传感器使用ST公司赠予的STEVAL-MKI062V2开发套件中的温度传感器，以及一些元器件

　　3.3系统软件架构

　　三角波的生成：计数器从0000000000增到1111111111，再从1111111111减到0000000000，则可以得到一个10位的三角波。

　　正弦波生成：用MATLAB生成一个十位的mif文件，再把这1024个点产生1024个地址，把地址存入ROM中，读出采样数据即可得到所要正弦波。

　　SPWM波生成结构框图：

　　软件架构图

　　SPWM波是由三角波与正弦波进行比较，正弦波幅值大于三角波的幅值时，输出高电平，反之输出低电平。

　　3.4 系统软件流程

　　FPGA通过检测ADC0809上读回来的的输入电压电流，和输出电流，首先对这几个值进行转换，比如电流值要通过计算得到，然后再比较是否欠压和过流，如果欠压或者过流了控制继电器断开，0.5s之后再一次检测，如果没有欠压或者过流就直接进行最大功率跟踪，然后在液晶显示屏上显示出输入电压电流，输出电流以及输入功率。

　　程序运行流程图