基于FPGA 的太阳能并网逆变器的研究

系统概述

新能源发电成为21世纪解决能源危机的必经出路，光伏发电、风电、核电等新能源发电是目前新能源发电研究的几大方向。这几种新能源各有各的特点，我们选择了最靠近我们的光伏发电作为研究出发点。

目前光伏发电并网技术的研究愈加深入成熟，而关于光伏发电技术的具体应用环节还是有着许多发挥余地。光伏发电的优点是清洁安全、分布相对较为均匀、可持续利用。同时光伏发电也存在自己的问题，其中一个很重要的问题是光伏发电需要做的是收集辐射到地表的太阳能，这个环节需要占用大量的空间，这个问题使光伏发电的应用有着自己的特点。现在大多数的并网系统都是采用DSP控制， DSP往往靠一些特殊的指令处理复杂算法，这些指令局限于DSP控制器设计人员的预知范围，而在FPGA中，用户可以自由定义各种IP核，实现一些高效的复杂算法，由于与MATLAB在系统设计上有对应接口，设计起来也较为方便。

本系统设计的光伏逆变系统，采用了FPGA作为主控芯片，控制BUCK做最大功率跟踪，以及采用一个桥式电路，通过变压器，将模拟的光伏电池板上的电能输出到电网上。 系统框架图如下所示:

图 1.1系统方案图

2 电路与程序设计

这里分模块对电路各结构进行介绍，介绍内容包括电路拓扑、控制算法以及测量回路。系统主要可以分为两部分，以拓扑来分，前端的BUCK主要实现最大功率跟踪（MPPT）功能，后级的全桥通过锁相、电流环反馈实现电能输出。

2.1 MPPT设计

光伏电池板的输出电压有着很宽的工作范围，而且可以根据需要进行光伏板的串并联，我们在模拟光伏电池板工作时选取了额定电压为60V、额定功率100W的光伏电池板。为了保证实验安全，输出电压控制在36V附近，然后通过变压器输送到电网去。出于以上 考虑，我们选择了Buck拓扑来做最大功率跟踪设计。

基本的Buck拓扑中采用了二极管作为续流通路。我们的电路输出侧工作在低压大电流的条件下，如果采用基本的buck拓扑，在二极管上会有很大损耗，极大的影响了效率。为了提高效率，我们采用Mosfet代替续流二极管，使续流的Mosfet和主开关管工作在互补工作状态，替代了续流二极管的作用，极大地提高了效率。

2.1.1工作原理

电路的拓扑结构如下：

图 2.1.1 充电电路拓扑

电路工作主要波形如下：

图2.1.2 电路工作波形

假设条件：

电感电流连续； 输出滤波电容两端电压恒定。

工作过程：

开关管M1开通时，开关管M2关断：电流经由开关管M1、电感L向负载供电，同时向电容充电。电感L在正向电压作用下，电流线性上升。 开关管M1关断时，开关管M2导通：电感L电流连续，电感电流不能突变，电流经由开关管M2、电感L这个环路流通。电感L承受反压，电感电流线性减小。电容放电，向负载提供电流，保证负载电流稳定。

2.1.2理论公式

由电感L上的伏秒平衡可推得电路的电压比M：

2.1.3 电路主要器件参数计算

Buck电路器件的核心是滤波电感的设计，我们关于电路器件的参数设计是围绕此展开的。

滤波电感的工作参数：

最大平均工作电流：2.77A

由于通过电感的电流很大，电感很容易饱和。我们直接选取了实验室最大尺寸的磁芯EE40。由于绕制电感时，实验室最粗的线径为0.71mm，我们只有选择0.71mm。由于绕制电感时，并绕的股数不能过多。考虑到模型电路连续工作时间不会很长，我们选取了较大的漆包线电流密度经验值6~8A。我们选择5股并绕，由公式计算0.71*0.71*5*8A=20.164A。这个设计值勉强能满足设计要求。

2.3.5 测量电路设计

电流测量电路设计

电流测量的可供选择方案很多,常用的是运用采样电阻测量电流和电流霍尔测量电流方案。

系统的充电回路的过流量很大，采用电阻测量电流时，电阻发热会很大，有明显温升，采样电阻的阻值不稳定，测量值误差较大。由于控制回路对采样电流测量的要求较高，这种测量方案不适宜。

我们选择了霍尔电流测量电流的方案，霍尔电流测量方案同时还可以实现可供选择的型号为TBC5LX、TBC10LX、TBC15LX等。其中TBC10LX的测量电流最大值为30A，恰好可以满足我们测量需求。

霍尔电流传感器输入电流量，输出电压值。输出电压为4V/10A，考虑到AD采样输入电压范围，电流采样后级加入同相放大电路做信号调理，实现信号电压匹配。

考虑到对控制器的AD采样端口的保护，在同相放大电路中选取了单5V供电的轨到轨运放，限制了输出电压，起到了控制器采样端口的保护作用。

电流测量电路的电路图如下：

图2.1.3 电流测量电路

电压测量电路设计

电压常用的测量方