基于FPGA 的太陽能并網(wǎng)逆變器的研究

　　系統(tǒng)概述

　　新能源發(fā)電成為21世紀解決能源危機的必經(jīng)出路，光伏發(fā)電、風電、核電等新能源發(fā)電是目前新能源發(fā)電研究的幾大方向。這幾種新能源各有各的特點，我們選擇了最靠近我們的光伏發(fā)電作為研究出發(fā)點。

　　目前光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的研究愈加深入成熟，而關(guān)于光伏發(fā)電技術(shù)的具體應用環(huán)節(jié)還是有著許多發(fā)揮余地。光伏發(fā)電的優(yōu)點是清潔安全、分布相對較為均勻、可持續(xù)利用。同時光伏發(fā)電也存在自己的問題，其中一個很重要的問題是光伏發(fā)電需要做的是收集輻射到地表的太陽能，這個環(huán)節(jié)需要占用大量的空間，這個問題使光伏發(fā)電的應用有著自己的特點?，F(xiàn)在大多數(shù)的并網(wǎng)系統(tǒng)都是采用DSP控制， DSP往往靠一些特殊的指令處理復雜算法，這些指令局限于DSP控制器設計人員的預知范圍，而在FPGA中，用戶可以自由定義各種IP核，實現(xiàn)一些高效的復雜算法，由于與MATLAB在系統(tǒng)設計上有對應接口，設計起來也較為方便。

　　本系統(tǒng)設計的光伏逆變系統(tǒng)，采用了FPGA作為主控芯片，控制BUCK做最大功率跟蹤，以及采用一個橋式電路，通過變壓器，將模擬的光伏電池板上的電能輸出到電網(wǎng)上。 系統(tǒng)框架圖如下所示:

　　圖 1.1系統(tǒng)方案圖

　　2 電路與程序設計

　　這里分模塊對電路各結(jié)構(gòu)進行介紹，介紹內(nèi)容包括電路拓撲、控制算法以及測量回路。系統(tǒng)主要可以分為兩部分，以拓撲來分，前端的BUCK主要實現(xiàn)最大功率跟蹤(MPPT)功能，后級的全橋通過鎖相、電流環(huán)反饋實現(xiàn)電能輸出。

　　2.1 MPPT設計

　　光伏電池板的輸出電壓有著很寬的工作范圍，而且可以根據(jù)需要進行光伏板的串并聯(lián)，我們在模擬光伏電池板工作時選取了額定電壓為60V、額定功率100W的光伏電池板。為了保證實驗安全，輸出電壓控制在36V附近，然后通過變壓器輸送到電網(wǎng)去。出于以上 考慮，我們選擇了Buck拓撲來做最大功率跟蹤設計。

　　基本的Buck拓撲中采用了二極管作為續(xù)流通路。我們的電路輸出側(cè)工作在低壓大電流的條件下，如果采用基本的buck拓撲，在二極管上會有很大損耗，極大的影響了效率。為了提高效率，我們采用Mosfet代替續(xù)流二極管，使續(xù)流的Mosfet和主開關(guān)管工作在互補工作狀態(tài)，替代了續(xù)流二極管的作用，極大地提高了效率。

　　2.1.1工作原理

　　電路的拓撲結(jié)構(gòu)如下：

　　圖 2.1.1 充電電路拓撲

　　電路工作主要波形如下：

　　圖2.1.2 電路工作波形

　　假設條件：

　　電感電流連續(xù);

　　輸出濾波電容兩端電壓恒定。

　　工作過程：

　　開關(guān)管M1開通時，開關(guān)管M2關(guān)斷：電流經(jīng)由開關(guān)管M1、電感L向負載供電，同時向電容充電。電感L在正向電壓作用下，電流線性上升。

　　開關(guān)管M1關(guān)斷時，開關(guān)管M2導通：電感L電流連續(xù)，電感電流不能突變，電流經(jīng)由開關(guān)管M2、電感L這個環(huán)路流通。電感L承受反壓，電感電流線性減小。電容放電，向負載提供電流，保證負載電流穩(wěn)定。

　　2.1.2理論公式

　　由電感L上的伏秒平衡可推得電路的電壓比M：

　　2.1.3 電路主要器件參數(shù)計算

　　Buck電路器件的核心是濾波電感的設計，我們關(guān)于電路器件的參數(shù)設計是圍繞此展開的。

　　濾波電感的工作參數(shù)：

　　最大平均工作電流：2.77A

　　由于通過電感的電流很大，電感很容易飽和。我們直接選取了實驗室最大尺寸的磁芯EE40。由于繞制電感時，實驗室最粗的線徑為0.71mm，我們只有選擇0.71mm。由于繞制電感時，并繞的股數(shù)不能過多?？紤]到模型電路連續(xù)工作時間不會很長，我們選取了較大的漆包線電流密度經(jīng)驗值6~8A。我們選擇5股并繞，由公式計算0.71*0.71*5*8A=20.164A。這個設計值勉強能滿足設計要求。