經典方案分享，光伏并網發電裝置的系統實現

一、項目概述

1.1 項目摘要

系統以FPGA為控制核心，由MOSFET管全橋逆變電路以及其IR2110對其驅動、SPWM（正弦脈寬調制）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內部由軟件產生的三角波的正弦波經數字比較器比較產生。通過改變正弦波的幅值來調節調制比，調節SPWM波的占空比，從而調節電壓來達到功率最大。采用MPPT算法對系統進行功率最大跟蹤。此系統還實現系統的欠壓和過流保護，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能源的日趨減少，以及使用傳統能源所帶來的一系列相關問題逐漸增加，如環境污染、溫室效應等諸多問題，對于開發新能源的需求越來越大。光伏并網是太陽能利用的發展趨勢，光伏發電系統將主要用于調峰電站和屋頂光伏系統。在光伏并網系統中，并網逆變器是核心部分。DC-AC逆變環節主要使輸出電流與電網電壓同相位，同剛獲得單位功率因數。

選題動機：目前作為基礎設施的電力行業正在努力利用太陽能，為電力的發展注入新的生機與活力。光伏并網發電已經成為時代的潮流和制約太陽能應用的關鍵技術，本設計主要對光并網發電中的一些技術做了相關研究，本設計主要實現了模擬光伏電源由直流轉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，另外增加了相關的保護和顯示功能。而且太陽能光伏發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電的公安消防站投入使用，光伏發電具有較廣泛的前景。

二、需求分析

2.1 功能要求

設計并制作一個光伏并網發電模擬裝置，其結構框圖如圖1所示。用直流穩壓電源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 并網發電模擬裝置框圖

（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）實現相位跟蹤功能：當f_REF在給定范圍內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，裝置能自動恢復為正常狀態。

（6）當負載溫度過高時，系統停止工作。

三、方案設計

3.1 系統功能實現原理

1.最大功率跟蹤方案

采經典MPPT算法，對光伏電網的輸出電壓和電流進行連續采樣，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產生SPWM波信號驅動半橋或全橋DC-AC逆變器，經輸出LC濾波后得到逆變信號。此方案中SPWM波的產生是由軟件實現的。DC-AC的逆變電路由分立元件搭建的，采用高速功率開關IRF540N及MOS管驅動芯片IR2110搭建電路。通過調節調制比來調節MOS管的通斷，從而調節逆變電壓的大小。

3．同頻同相控制方案的實現

采用邊沿觸發法和數字反饋調節法進行調整。分別對輸入參考信號和反饋信號利用比較器整形之后，對其上升沿進行檢測，這個操作由硬件實現得到其頻率和相位的差值，在FPGA內部由數字反饋的方式對再對輸入信號進行相位調整，這些操作都由軟件實現。

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的數值，用ADC0809轉化為數字信號反饋到FPGA控制系統中，FPGA控制繼電器的通斷來實現欠壓和過流保護。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。

系統硬件結構框圖

5.單相全橋逆變電路及其驅動電路

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

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，有效值轉換使用AD637,A/D轉換使用ADC0809，最小系統使用FPGA，驅動芯片使用IR2110，MOS管使用IR540，溫度傳感器使用ST公司贈予的STEVAL-MKI062V2開發套件中的溫度傳感器，以及一些元器件

3.3系統軟件架構

三角波的生成:計數器從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個點產生1024個地址，把地址存入ROM中，讀出采樣數據即可得到所要正弦波。

SPWM波生成結構框圖：

軟件架構圖

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