基于MCU-FPGA的風光逆變并網系統設計

為了緩解能源問題，在完全兼容現有供電系統的基礎上，該系統采用風能和太陽能對電能進行補給的方法，并且附帶快速檢測孤島效應，快速并網和斷網的功能。系統的功率電路部分采用全橋拓撲進行逆變，數字控制系統采用MCU-FPGA構架。由全硬件完成對外網市電的倍頻工作，再由FPGA動態調整系統輸出相位，讓輸出和外網市電實現同相位。MCU完成對太陽能電池板的最大功率點追蹤(MPPT)，發電端電壓欠壓檢測以及孤島效應檢測等功能。針對電力系統強電的特性并結合當今熱門的物聯網技術，該系統人性化地設計了無線檢測的功能，用戶能通過手機，計算機或者手持式終端就可以了解當前系統狀態。該系統創造性的設計方式既可以用于電廠的多能源并行發電，也適合家用，讓家庭從用電的角色轉變微型發電廠，從而大大的緩解能源問題。

引言

近二百年來，人類利用煤、石油及天燃氣作為能源，使生產力提高近200倍。然而化石能源逐步枯竭，而且污染等也很嚴重。隨著能源問題的日益突出，尋找新型綠色能源已經是刻不容緩的問題。而在公認的綠色能源中，數太陽能和風能是最容易獲取并高效利用的能源。

本文以太陽能，風能為中心，設計一個風光并網發電的模擬裝置，能夠將太陽能或者風能發電機的直流電壓轉換為交流電，并檢測外網交流電的頻率和相位，動態的調整自己的交流電的波形，使得與外網電能同頻同相。該裝置在設計時考慮了發電機的內阻。在測試時以60 V直流穩壓電源模擬理想的太陽能電池板或者風力發電機，電源輸入級串聯一個30 Ω功率電阻模擬發電部分的內阻。

該裝置體積小巧，成本低廉，易于量產，人界交互界面友好，并附帶輸入電壓監控，輸出過流監控實時動態相位監控等多種監控設置也使得該裝置安全性能很好。稍加改動即可廣泛應用。

方案論證

1、主功率電路拓撲方案

方案一：全橋逆變。

全橋由4只功率開關管管組成，分為2組，其中Q1和Q4為一組，Q2和Q3為一組，兩組交替通斷，輸出交流方波電壓經LC低通濾波器后得到交流正弦輸出電壓)。全橋型逆變器的輸出濾波電容電壓連續可測的。該電路輸出經LC濾波后便能得到很好的波形。

方案二：雙Boost DC/AC單級變換電路拓撲結構。

該結構由2個對稱的電流雙向流動的Boost DC/DC變換電路組成(見圖2)。負載R跨接在兩個電容之間，通過兩邊電流的雙向流動，從而在負載上實現交流工頻電壓輸出的效果。開關M1～M4均為由MOSFET和二極管組成的能量可以雙向流動的可控開關。由于電路工作在完全對稱的狀態下，因此對L1和L2的選擇特別敏感，如果不對稱則會照成輸出波形失真。

方案二在正弦的正半軸和負半軸是兩個濾波電路完成的，所以在波形的失真度上完成有難度，而方案一是由同一個電感濾波得到的，濾波后正弦失真度非常小。故采用方案一。

2、正弦波產生方案

方案一：采用專用SPWM芯片實現逆變。

目前的SPWM專用芯片外圍電路簡單，易于實現。但是很難完成本系統中對市電相位追蹤和調整。故不采用本方案。

方案二：使用FPGA生成SPWM波形。

此方案的優點是容易精確方便地控制輸出正弦波的相位和幅度，而且外圍電路更加簡單，靈活方便。相對于方案一更優化，故選擇此方案。

3、整體系統設計構架方案

總結上述選擇的方案，這里選擇以數字電路為主，配合簡潔的模擬電路的結構。充分的把數字的高集成度，高準確度，高性價比和高穩定性的特點和模擬大功率的特點有機的結合，較好地實現了設計要求。并且拓展了無線監測功能，更加真實表現了本設計的實際應用環境和展現更加人性化的設計?？傮w方案見圖3。

主回路電器選擇以及參數計算

系統主回路由DC-AC變換器電路以及對輸入/輸出波形的整形和測量電路構成。為了減少損耗，同時又防止被反向擊穿，主開關管選IRFB52N15(額定電流60A，耐壓150V，導通電阻32MΩ)。采用SPWM控制的逆變電路，輸出SPWM波中含有大量的高頻諧波，加上防止上下橋臂直通而設置的死區，開關時間和功率器件參數差異等因素，輸出電壓只能夠也含有一定的低次諧波，為了保證波形失真度盡可能低，必須采用輸出濾波器。全橋采用LC濾波，其中的感抗XL=ωL=2πfL，容抗XC=1/(ωC)=1/(2πfC)。令ωL=1/(ωC)，得到對應的截止頻率

設逆變器輸出電壓的基波為f0，最低次諧波頻率fk，f0>1/(ωkC)，電感對諧波信號阻抗很大，電容對諧波信號的分流很大，即濾波器不允許諧波信號通過負載，一般取濾波器的截止頻率 fc=(3～5)f0，為了避免對某次諧波過度放大，取fc= 4.5f0=1 800 Hz，逆變器的輸出功率和輸出電壓求得負載阻抗RL，濾波器的標稱特性阻抗R=(0.5～0.8)RL，則Lf=R/(4πfC)，Cf=Lf /R2= 1/(2πfCR)。實際電路中，L取200 μH，C=470μF。

控制與算法設計

該系統的MCU選擇的MSP430，MSP430系列是TI公司推出的超低功耗16單片機，性價比高，功能強，運行的速度快，其工作電流不到1mA，而且其具有多種低功耗模式。該方案選用了MSP430F2618作為主控芯片，監測輸入電流、電壓，過流、欠壓時保護和故障排除后恢復；采樣輸出電壓和電壓跟蹤最大功率；顯示當前系統狀態和輸出的相關數據。

1、最大功率追蹤算法

最大功率點跟蹤算法根據判斷原理和實現方法，大概可以歸納為六種：恒定電壓及其改進算法、恒定電流及其改進算法、擾動觀察法、增量電導法、模糊邏輯控制算法及神經網絡控制算法。

擾動觀察法是一種較為簡單實用且容易實現的方法，其思想是通過周期性的給電源的輸出電壓加擾動△V，測得電源的輸出電流和電壓，比較該采樣時刻的輸出功率 P(t)與前一采樣時刻輸出功率P(t-1)的大小;如果P(t)>P(t-1)，則在下一周期以同樣方向加擾動，否則改變擾動的方向，這樣逐步逼近最大功率點。但跟蹤步長的設定無法兼顧跟蹤精度和響應速度，在最大功率點附近振蕩運行，會導致一定功率損失。

2、基于FPGA的相位追蹤

該系統中產生的SPWM信號的正弦基波信號是FPGA內部的地址每次累加1位，然后查詢FPGA內存儲了正弦表的ROM，現將外部參考正弦信號和本系統自已產生的正弦波形通過比較器整形后的信號都輸入FPGA，通過FPGA內部的異或門后得到的新信號，新信號為高表明兩路信號依然存在相位差，這時FPGA 內部的地址累加器遞增2位，即讓自己產生的正弦波的相位向前遞增一個量化值，直至兩路信號異或的結果完全為低為止。由于FPGA的高速運算，整個相位的追蹤在兩個周期以內可以完成，能滿足市場應用的要求。

結語

該系統以MCU-FPGA為構架，實現了風光逆變并網系統。系統充分利用了數字系統的計算精度，將逆變波形與外網市電的相位差控制在2°以內，并且通過最大功率追蹤，讓太陽能電池板或者風力發電機的發電效率達到最大。該系統成本低，體積小，且人性化設計，方便今后直接大批量投入市場使用。
審核編輯：彭菁