基于FPGA 的太陽(yáng)能并網(wǎng)逆變器的研究

　　上述改進(jìn)型BUCK電路如果采用兩個(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng)互補(bǔ)的方式，除了降低損耗外還可以達(dá)到一些比較好的結(jié)果，比如不用考慮電流續(xù)流問(wèn)題，因?yàn)殡娏骺梢栽陔娙萆系沽?。但反相電流增加了開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，只要電流倒流產(chǎn)生的損耗比通過(guò)傳統(tǒng)BUCK電路二極管管壓損耗小，整個(gè)系統(tǒng)相對(duì)來(lái)說(shuō)損耗是減小的。推導(dǎo)過(guò)程和傳統(tǒng)算法一樣[6]，只是電感電流可為負(fù)。由于IR2111單路PWM波輸入時(shí)，可以輸出帶死區(qū)上下管驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在控制策略上只需要控制單路PWM輸出的占空比即可。

　　2. 2 逆變器設(shè)計(jì)

　　逆變器的拓?fù)淙缦聢D所示，通過(guò)控制通過(guò)電感上面的電流信號(hào)可以控制系統(tǒng)的輸出功率、功率因素以及相應(yīng)的諧波成分。目前簡(jiǎn)單的控制算法是電壓外環(huán)加電流內(nèi)環(huán)PI控制。復(fù)雜的有帶FIR濾波的重復(fù)控制、矢量控制(三相)等等。本控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的電壓電流環(huán)控制方法，通過(guò)鎖相查表的方式獲取波形數(shù)據(jù)，針對(duì)電網(wǎng)需求可以作一定量的無(wú)功補(bǔ)償。

　　圖表 2.2.1逆變系統(tǒng)拓?fù)?/p>

　　2.2.1逆變器參數(shù)選取

　　單相逆變器由直流側(cè)、逆變橋及輸出濾波組成，單相逆變器簡(jiǎn)化拓?fù)淙鐖D2.2.1所示。逆變器控制模型中，參考正弦波

　　由于逆變器采用單相橋式電路，可以采用單極倍頻調(diào)制方式的，由狀態(tài)平均法分析可以得到直流電源電壓與A點(diǎn)電壓之間的關(guān)系式2.2.1，其中

　　為了將SPWM波的諧波分量濾除，在逆變器的輸出端加了LC濾波器，從而得到正弦交流信號(hào)，A、B兩點(diǎn)的電壓、

　　交流電感的選擇主要考慮抑制電流紋波和滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)電流波形品質(zhì)，同時(shí)應(yīng)盡量減小電感，減小系統(tǒng)體積。

　　滿(mǎn)足抑制電流紋波要求，電感的選擇應(yīng)滿(mǎn)足：

　　(其中為輸出直流側(cè)電壓，為開(kāi)關(guān)周期，為諧波脈動(dòng)電流峰值的最大允許值)

　　直流側(cè)最大電壓為，開(kāi)關(guān)頻率為，最大電流有效值為

　　滿(mǎn)足快速跟蹤基準(zhǔn)電流要求，電感應(yīng)滿(mǎn)足：

　　(其中為輸出直流側(cè)電壓，為交流電壓峰值，為正弦波基準(zhǔn)電流峰值，為正弦電流角頻率)

　　取輸出交流電壓有效值，正弦波基準(zhǔn)電流峰值

　　考慮到實(shí)際電感設(shè)計(jì)，系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)得出的電感為：

　　2.2.2 逆變器控制程序

　　系統(tǒng)的控制由在FPGA中完成。在FPGA中搭建一些硬件模塊，設(shè)計(jì)PWM的IP核，以及ADC的控制接口，然后通過(guò)片上控制器完成系統(tǒng)代碼程序。上電后先對(duì)系統(tǒng)各部分的初始化，然后進(jìn)入循環(huán)，掃描按鍵，執(zhí)行顯示程序。如果需要注入無(wú)功補(bǔ)償，通過(guò)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面可以完成。

　　系統(tǒng)的控制主要在三個(gè)中斷函數(shù)中進(jìn)行。在Timer7的溢出中斷服務(wù)函數(shù)中完成電流大小的控制，首先進(jìn)行電流的檢測(cè)，測(cè)得的量可以通過(guò)主函數(shù)中的顯示程序執(zhí)行顯示功能。由于采樣頻率較高，然后通過(guò)PI調(diào)節(jié)可以瞬時(shí)地完成相應(yīng)電流輸出。完成測(cè)量后進(jìn)行電流或電壓的PI調(diào)節(jié)，輸出一個(gè)占空比指令。在采到過(guò)零比較輸出的上升沿后觸發(fā)邊沿中斷。由于改變DDS的頻率控制字可以同時(shí)完成相位和頻率的跟蹤，因而用PI調(diào)節(jié)可以將相位鎖住在某個(gè)點(diǎn)上。DDS中斷中主要完成掃描正弦表，進(jìn)行DDS相位累加。輸出功率通過(guò)保持直流母線(xiàn)上的電壓，可以知道輸出電流指令大小。系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。

　　圖 2.2.2 軟件流程圖

　　2.2.3電路設(shè)計(jì)

　　這部分描述逆變器除FPGA之外的電路原理圖，標(biāo)明具體參數(shù)及采用器件。

　　2.2.3.1驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　驅(qū)動(dòng)電路采用IR2110來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，由于控制信號(hào)要和主電路要電氣隔離，故這里選用74HC14反相器和HCP2630隔離光耦，具體電路圖如下圖所示：

　　圖2.2.3驅(qū)動(dòng)電路原理圖

　　2.2.3.2交流電流信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

　　交流電流信號(hào)的調(diào)理電路的處理流程如下圖所示：

　　圖 2.2.4 交流電流信號(hào)調(diào)理電路流程圖

　　濾波電路的設(shè)計(jì)：設(shè)定截止頻率為開(kāi)關(guān)頻率的1/5以下，通過(guò)Filter Solution軟件給出二階濾波器電路，結(jié)合實(shí)際器件，最終的濾波截止頻率為：

　　實(shí)際電路圖如下：

　　圖2.2.5 交流電流信號(hào)處理電路

　　2.2.3.3交流電壓信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

　　交流電壓信號(hào)需要得出峰值和相位，信號(hào)處理流程如下：

　　圖2.2.6 交流電壓信號(hào)調(diào)理電路流程圖

　　實(shí)際采用電路原理圖如下：

　　圖2.2.7 交流電壓過(guò)零比較和峰值檢測(cè)電路

　　2.2.3.4 直流電壓測(cè)量電路設(shè)計(jì)

　　輸出信號(hào)連接到下圖所示的線(xiàn)性隔離光耦電路，通過(guò)在HCNR201光耦輸入輸出配置運(yùn)放可以實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性放大。光耦主要是實(shí)現(xiàn)主電路與控制器的電氣隔離，從而保護(hù)FPGA的安全。

　　圖 2.2.4.2線(xiàn)性光耦測(cè)量電路原理圖