基于FPGA 的太陽能并網逆變器的研究

　　系統概述

　　新能源發電成為21世紀解決能源危機的必經出路，光伏發電、風電、核電等新能源發電是目前新能源發電研究的幾大方向。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電作為研究出發點。

　　目前光伏發電并網技術的研究愈加深入成熟，而關于光伏發電技術的具體應用環節還是有著許多發揮余地。光伏發電的優點是清潔安全、分布相對較為均勻、可持續利用。同時光伏發電也存在自己的問題，其中一個很重要的問題是光伏發電需要做的是收集輻射到地表的太陽能，這個環節需要占用大量的空間，這個問題使光伏發電的應用有著自己的特點。現在大多數的并網系統都是采用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，實現一些高效的復雜算法，由于與MATLAB在系統設計上有對應接口，設計起來也較為方便。

　　本系統設計的光伏逆變系統，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上。 系統框架圖如下所示:

　　圖 1.1系統方案圖

　　2 電路與程序設計

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

　　2.1 MPPT設計

　　光伏電池板的輸出電壓有著很寬的工作范圍，而且可以根據需要進行光伏板的串并聯，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流通路。我們的電路輸出側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代替續流二極管，使續流的Mosfet和主開關管工作在互補工作狀態，替代了續流二極管的作用，極大地提高了效率。

　　2.1.1工作原理

　　電路的拓撲結構如下：

　　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;

　　輸出濾波電容兩端電壓恒定。

　　工作過程：

　　開關管M1開通時，開關管M2關斷：電流經由開關管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。

　　開關管M1關斷時，開關管M2導通：電感L電流連續，電感電流不能突變，電流經由開關管M2、電感L這個環路流通。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 電路主要器件參數計算

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

　　濾波電感的工作參數：

　　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，并繞的股數不能過多。考慮到模型電路連續工作時間不會很長，我們選取了較大的漆包線電流密度經驗值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。