基于MCU-FPGA的風(fēng)光逆變并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了緩解能源問(wèn)題，在完全兼容現(xiàn)有供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)采用風(fēng)能和太陽(yáng)能對(duì)電能進(jìn)行補(bǔ)給的方法，并且附帶快速檢測(cè)孤島效應(yīng)，快速并網(wǎng)和斷網(wǎng)的功能。系統(tǒng)的功率電路部分采用全橋拓?fù)溥M(jìn)行逆變，數(shù)字控制系統(tǒng)采用MCU-FPGA構(gòu)架。由全硬件完成對(duì)外網(wǎng)市電的倍頻工作，再由FPGA動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)輸出相位，讓輸出和外網(wǎng)市電實(shí)現(xiàn)同相位。MCU完成對(duì)太陽(yáng)能電池板的最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)，發(fā)電端電壓欠壓檢測(cè)以及孤島效應(yīng)檢測(cè)等功能。針對(duì)電力系統(tǒng)強(qiáng)電的特性并結(jié)合當(dāng)今熱門的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，該系統(tǒng)人性化地設(shè)計(jì)了無(wú)線檢測(cè)的功能，用戶能通過(guò)手機(jī)，計(jì)算機(jī)或者手持式終端就可以了解當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)。該系統(tǒng)創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)方式既可以用于電廠的多能源并行發(fā)電，也適合家用，讓家庭從用電的角色轉(zhuǎn)變微型發(fā)電廠，從而大大的緩解能源問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：風(fēng)能；太陽(yáng)能；孤島效應(yīng)；最大功率追蹤；物聯(lián)網(wǎng)

0 引言
近二百年來(lái)，人類利用煤、石油及天燃?xì)庾鳛槟茉?，使生產(chǎn)力提高近200倍。然而化石能源逐步枯竭，而且污染等也很嚴(yán)重。隨著能源問(wèn)題的日益突出，尋找新型綠色能源已經(jīng)是刻不容緩的問(wèn)題。而在公認(rèn)的綠色能源中，數(shù)太陽(yáng)能和風(fēng)能是最容易獲取并高效利用的能源。
本文以太陽(yáng)能，風(fēng)能為中心，設(shè)計(jì)一個(gè)風(fēng)光并網(wǎng)發(fā)電的模擬裝置，能夠?qū)⑻?yáng)能或者風(fēng)能發(fā)電機(jī)的直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電，并檢測(cè)外網(wǎng)交流電的頻率和相位，動(dòng)態(tài)的調(diào)整自己的交流電的波形，使得與外網(wǎng)電能同頻同相。該裝置在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻。在測(cè)試時(shí)以60 V直流穩(wěn)壓電源模擬理想的太陽(yáng)能電池板或者風(fēng)力發(fā)電機(jī)，電源輸入級(jí)串聯(lián)一個(gè)30 Ω功率電阻模擬發(fā)電部分的內(nèi)阻。
該裝置體積小巧，成本低廉，易于量產(chǎn)，人界交互界面友好，并附帶輸入電壓監(jiān)控，輸出過(guò)流監(jiān)控實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相位監(jiān)控等多種監(jiān)控設(shè)置也使得該裝置安全性能很好。稍加改動(dòng)即可廣泛應(yīng)用。

1 方案論證
1．1 主功率電路拓?fù)浞桨?br /> 方案一：全橋逆變。
全橋由4只功率開(kāi)關(guān)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(jīng)LC低通濾波器后得到交流正弦輸出電壓(見(jiàn)圖1)。全橋型逆變器的輸出濾波電容電壓連續(xù)可測(cè)的。該電路輸出經(jīng)LC濾波后便能得到很好的波形。

方案二：雙Boost DC／AC單級(jí)變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
該結(jié)構(gòu)由2個(gè)對(duì)稱的電流雙向流動(dòng)的Boost DC／DC變換電路組成(見(jiàn)圖2)。負(fù)載R跨接在兩個(gè)電容之間，通過(guò)兩邊電流的雙向流動(dòng)，從而在負(fù)載上實(shí)現(xiàn)交流工頻電壓輸出的效果。開(kāi)關(guān)M1～M4均為由MOSFET和二極管組成的能量可以雙向流動(dòng)的可控開(kāi)關(guān)。由于電路工作在完全對(duì)稱的狀態(tài)下，因此對(duì)L1和L2的選擇特別敏感，如果不對(duì)稱則會(huì)照成輸出波形失真。
方案二在正弦的正半軸和負(fù)半軸是兩個(gè)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(gè)電感濾波得到的，濾波后正弦失真度非常小。故采用方案一。
1．2 正弦波產(chǎn)生方案
方案一：采用專用SPWM芯片實(shí)現(xiàn)逆變。
目前的SPWM專用芯片外圍電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。但是很難完成本系統(tǒng)中對(duì)市電相位追蹤和調(diào)整。故不采用本方案。
方案二：使用FPGA生成SPWM波形。
此方案的優(yōu)點(diǎn)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(jiǎn)單，靈活方便。相對(duì)于方案一更優(yōu)化，故選擇此方案。
1．3 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)架方案
總結(jié)上述選擇的方案，這里選擇以數(shù)字電路為主，配合簡(jiǎn)潔的模擬電路的結(jié)構(gòu)。充分的把數(shù)字的高集成度，高準(zhǔn)確度，高性價(jià)比和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)和模擬大功率的特點(diǎn)有機(jī)的結(jié)合，較好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。并且拓展了無(wú)線監(jiān)測(cè)功能，更加真實(shí)表現(xiàn)了本設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和展現(xiàn)更加人性化的設(shè)計(jì)?？傮w方案見(jiàn)圖3。