經(jīng)典方案分享，光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

一、項(xiàng)目概述

1.1 項(xiàng)目摘要

系統(tǒng)以FPGA為控制核心，由MOSFET管全橋逆變電路以及其IR2110對(duì)其驅(qū)動(dòng)、SPWM（正弦脈寬調(diào)制）波的生成、電壓電流的檢測(cè)、相位頻率跟蹤等模塊組成。其中SPWM波由在FPGA內(nèi)部由軟件產(chǎn)生的三角波的正弦波經(jīng)數(shù)字比較器比較產(chǎn)生。通過(guò)改變正弦波的幅值來(lái)調(diào)節(jié)調(diào)制比，調(diào)節(jié)SPWM波的占空比，從而調(diào)節(jié)電壓來(lái)達(dá)到功率最大。采用MPPT算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功率最大跟蹤。此系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的欠壓和過(guò)流保護(hù)，同頻同相控制。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

隨著當(dāng)令能源的消耗日益劇增和傳統(tǒng)能源的日趨減少，以及使用傳統(tǒng)能源所帶來(lái)的一系列相關(guān)問(wèn)題逐漸增加，如環(huán)境污染、溫室效應(yīng)等諸多問(wèn)題，對(duì)于開(kāi)發(fā)新能源的需求越來(lái)越大。光伏并網(wǎng)是太陽(yáng)能利用的發(fā)展趨勢(shì)，光伏發(fā)電系統(tǒng)將主要用于調(diào)峰電站和屋頂光伏系統(tǒng)。在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器是核心部分。DC-AC逆變環(huán)節(jié)主要使輸出電流與電網(wǎng)電壓同相位，同剛獲得單位功率因數(shù)。

選題動(dòng)機(jī)：目前作為基礎(chǔ)設(shè)施的電力行業(yè)正在努力利用太陽(yáng)能，為電力的發(fā)展注入新的生機(jī)與活力。光伏并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為時(shí)代的潮流和制約太陽(yáng)能應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，本設(shè)計(jì)主要對(duì)光并網(wǎng)發(fā)電中的一些技術(shù)做了相關(guān)研究，本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了模擬光伏電源由直流轉(zhuǎn)換為單相交流電源的功能，具有最大功率點(diǎn)跟蹤功能和頻率相位跟蹤功能，另外增加了相關(guān)的保護(hù)和顯示功能。而且太陽(yáng)能光伏發(fā)電市場(chǎng)受到各國(guó)政府的重視，國(guó)家扶持力度較大， 2011年7月30日中國(guó)首座利用太陽(yáng)能發(fā)電的公安消防站投入使用，光伏發(fā)電具有較廣泛的前景。

二、需求分析

2.1 功能要求

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。用直流穩(wěn)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(wǎng)電壓的正弦參考信號(hào)，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(hào)；負(fù)載電阻R_L=30Ω~36Ω。

圖1 并網(wǎng)發(fā)電模擬裝置框圖

（1）具有最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能：R_S和R_L在給定范圍內(nèi)變化時(shí)，使 ，相對(duì)偏差的絕對(duì)值不大于1%。

（2）具有頻率跟蹤功能：當(dāng)f_REF在給定范圍內(nèi)變化時(shí)，使u_F的頻率f_F=f_REF，相對(duì)偏差絕對(duì)值不大于1%。

（3）實(shí)現(xiàn)相位跟蹤功能：當(dāng)f_REF在給定范圍內(nèi)變化以及加非阻性負(fù)載時(shí)，均能保證u_F與u_REF同相，相位偏差的絕對(duì)值≤5°。

2.2 性能標(biāo)準(zhǔn)

（1）當(dāng)R_S=R_L=30Ω時(shí)，DC-AC變換器的效率 ≥80%。

（2）當(dāng)R_S=R_L=30Ω時(shí)，輸出電壓u_o的失真度THD≤1%。

（3）具有輸入欠壓保護(hù)功能，動(dòng)作電壓U_d（th）=（25±0.5）V。

（4）具有輸出過(guò)流保護(hù)功能，動(dòng)作電流I_o（th）=（1.5±0.2）A。

（5）過(guò)流、欠壓故障排除后，裝置能自動(dòng)恢復(fù)為正常狀態(tài)。

（6）當(dāng)負(fù)載溫度過(guò)高時(shí)，系統(tǒng)停止工作。

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

1.最大功率跟蹤方案

采經(jīng)典MPPT算法，對(duì)光伏電網(wǎng)的輸出電壓和電流進(jìn)行連續(xù)采樣，尋找P=U*I最大的點(diǎn)，即最大功率點(diǎn)。此方法變化步進(jìn)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(diǎn)。

2. DC-AC電路方案

我們使用FPGA產(chǎn)生SPWM波信號(hào)驅(qū)動(dòng)半橋或全橋DC-AC逆變器，經(jīng)輸出LC濾波后得到逆變信號(hào)。此方案中SPWM波的產(chǎn)生是由軟件實(shí)現(xiàn)的。DC-AC的逆變電路由分立元件搭建的，采用高速功率開(kāi)關(guān)IRF540N及MOS管驅(qū)動(dòng)芯片IR2110搭建電路。通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)制比來(lái)調(diào)節(jié)MOS管的通斷，從而調(diào)節(jié)逆變電壓的大小。

3．同頻同相控制方案的實(shí)現(xiàn)

采用邊沿觸發(fā)法和數(shù)字反饋調(diào)節(jié)法進(jìn)行調(diào)整。分別對(duì)輸入?yún)⒖夹盘?hào)和反饋信號(hào)利用比較器整形之后，對(duì)其上升沿進(jìn)行檢測(cè)，這個(gè)操作由硬件實(shí)現(xiàn)得到其頻率和相位的差值，在FPGA內(nèi)部由數(shù)字反饋的方式對(duì)再對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)整，這些操作都由軟件實(shí)現(xiàn)。

4.欠壓、過(guò)流，溫度過(guò)高保護(hù)電路

通過(guò)檢測(cè)輸入電壓Ud，輸入電流Id和輸出電流Io的數(shù)值，用ADC0809轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)反饋到FPGA控制系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA控制繼電器的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)欠壓和過(guò)流保護(hù)。通過(guò)溫度傳感器對(duì)負(fù)載溫度進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)控制繼電器斷開(kāi)。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

5.單相全橋逆變電路及其驅(qū)動(dòng)電路

采用IR2110為半橋驅(qū)動(dòng)芯片，只需連接自舉電容，利用內(nèi)部自舉電路即可實(shí)現(xiàn)對(duì)橋路的驅(qū)動(dòng)，對(duì)于全橋電路只需將兩片IR2110驅(qū)動(dòng)各自的半橋即可。

6.電壓電流的測(cè)量

輸入電流的測(cè)量通過(guò)測(cè)量串入回路的小電阻的兩端的電壓，再由AD620放大100倍，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換再讓FPGA計(jì)算出當(dāng)時(shí)所檢測(cè)到的電流大小，并顯示；

7. 輸出端電流Io為交流，先同測(cè)輸入端電流方法一樣放大100倍后，再由AD637轉(zhuǎn)為直流電壓再同（2）中計(jì)算并顯示。

3.2 硬件資源配置

放大器使用AD620，有效值轉(zhuǎn)換使用AD637,A/D轉(zhuǎn)換使用ADC0809，最小系統(tǒng)使用FPGA，驅(qū)動(dòng)芯片使用IR2110，MOS管使用IR540，溫度傳感器使用ST公司贈(zèng)予的STEVAL-MKI062V2開(kāi)發(fā)套件中的溫度傳感器，以及一些元器件

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

三角波的生成:計(jì)數(shù)器從0000000000增到1111111111，再?gòu)?111111111減到0000000000，則可以得到一個(gè)10位的三角波。

正弦波生成：用MATLAB生成一個(gè)十位的mif文件，再把這1024個(gè)點(diǎn)產(chǎn)生1024個(gè)地址，把地址存入ROM中，讀出采樣數(shù)據(jù)即可得到所要正弦波。

SPWM波生成結(jié)構(gòu)框圖：

軟件架構(gòu)圖

SPWM波是由三角波與正弦波進(jìn)行比較，正弦波幅值大于三角波的幅值時(shí)，輸出高電平，反之輸出低電平。

3.4 系統(tǒng)軟件流程

FPGA通過(guò)檢測(cè)ADC0809上讀回來(lái)的的輸入電壓電流，和輸出電流，首先對(duì)這幾個(gè)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，比如電流值要通過(guò)計(jì)算得到，然后再比較是否欠壓和過(guò)流，如果欠壓或者過(guò)流了控制繼電器斷開(kāi)，0.5s之后再一次檢測(cè)，如果沒(méi)有欠壓或者過(guò)流就直接進(jìn)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(yùn)行流程圖