基于MCU-FPGA的风光逆变并网系统设计

摘要：为了缓解能源问题，在完全兼容现有供电系统的基础上，该系统采用风能和太阳能对电能进行补给的方法，并且附带快速检测孤岛效应，快速并网和断网的功能。系统的功率电路部分采用全桥拓扑进行逆变，数字控制系统采用MCU-FPGA构架。由全硬件完成对外网市电的倍频工作，再由FPGA动态调整系统输出相位，让输出和外网市电实现同相位。MCU完成对太阳能电池板的最大功率点追踪(MPPT)，发电端电压欠压检测以及孤岛效应检测等功能。针对电力系统强电的特性并结合当今热门的物联网技术，该系统人性化地设计了无线检测的功能，用户能通过手机，计算机或者手持式终端就可以了解当前系统状态。该系统创造性的设计方式既可以用于电厂的多能源并行发电，也适合家用，让家庭从用电的角色转变微型发电厂，从而大大的缓解能源问题。
关键词：风能；太阳能；孤岛效应；最大功率追踪；物联网

0 引言
    近二百年来，人类利用煤、石油及天燃气作为能源，使生产力提高近200倍。然而化石能源逐步枯竭，而且污染等也很严重。随着能源问题的日益突出，寻找新型绿色能源已经是刻不容缓的问题。而在公认的绿色能源中，数太阳能和风能是最容易获取并高效利用的能源。
    本文以太阳能，风能为中心，设计一个风光并网发电的模拟装置，能够将太阳能或者风能发电机的直流电压转换为交流电，并检测外网交流电的频率和相位，动态的调整自己的交流电的波形，使得与外网电能同频同相。该装置在设计时考虑了发电机的内阻。在测试时以60 V直流稳压电源模拟理想的太阳能电池板或者风力发电机，电源输入级串联一个30 Ω功率电阻模拟发电部分的内阻。
    该装置体积小巧，成本低廉，易于量产，人界交互界面友好，并附带输入电压监控，输出过流监控实时动态相位监控等多种监控设置也使得该装置安全性能很好。稍加改动即可广泛应用。

1 方案论证
1．1 主功率电路拓扑方案
    方案一：全桥逆变。
    全桥由4只功率开关管管组成，分为2组，其中Q1和Q4为一组，Q2和Q3为一组，两组交替通断，输出交流方波电压经LC低通滤波器后得到交流正弦输出电压(见图1)。全桥型逆变器的输出滤波电容电压连续可测的。该电路输出经LC滤波后便能得到很好的波形。

    方案二：双Boost DC／AC单级变换电路拓扑结构。
    该结构由2个对称的电流双向流动的Boost DC／DC变换电路组成(见图2)。负载R跨接在两个电容之间，通过两边电流的双向流动，从而在负载上实现交流工频电压输出的效果。开关M1～M4均为由MOSFET和二极管组成的能量可以双向流动的可控开关。由于电路工作在完全对称的状态下，因此对L1和L2的选择特别敏感，如果不对称则会照成输出波形失真。
    方案二在正弦的正半轴和负半轴是两个滤波电路完成的，所以在波形的失真度上完成有难度，而方案一是由同一个电感滤波得到的，滤波后正弦失真度非常小。故采用方案一。
1．2 正弦波产生方案
    方案一：采用专用SPWM芯片实现逆变。
    目前的SPWM专用芯片外围电路简单，易于实现。但是很难完成本系统中对市电相位追踪和调整。故不采用本方案。
    方案二：使用FPGA生成SPWM波形。
    此方案的优点是容易精确方便地控制输出正弦波的相位和幅度，而且外围电路更加简单，灵活方便。相对于方案一更优化，故选择此方案。
1．3 整体系统设计构架方案
    总结上述选择的方案，这里选择以数字电路为主，配合简洁的模拟电路的结构。充分的把数字的高集成度，高准确度，高性价比和高稳定性的特点和模拟大功率的特点有机的结合，较好地实现了设计要求。并且拓展了无线监测功能，更加真实表现了本设计的实际应用环境和展现更加人性化的设计。总体方案见图3。

2 主回路电器选择以及参数计算
    系统主回路由DC-AC变换器电路以及对输入／输出波形的整形和测量电路构成。为了减少损耗，同时又防止被反向击穿，主开关管选IRFB52N15(额定电流60A，耐压150V，导通电阻32MΩ)。采用SPWM控制的逆变电路，输出SPWM波中含有大量的高频谐波，加上防止上下桥臂直通而设置的死区，开关时间和功率器件参数差异等因素，输出电压只能够也含有一定的低次谐波，为了保证波形失真度尽可能低，必须采用输出滤波器。全桥采用LC滤波，其中的感抗XL=ωL=2πfL，容抗XC=1／(ωC)=1／(2πfC)。令ωL=1／(ωC)，得到对应的截止频率设逆变器输出电压的基波为f0，最低次谐波频率fk，f0<fc<<fk，所以ω0L<<1／(ω0C)，电感对基波信号的阻抗很小，电容对基波的分流很小，即电感对基波信号的阻抗很小，电容对基波的分流很，即滤波器允许基波信号通过，而ωkL>>1／(ωkC)，电感对谐波信号阻抗很大，电容对谐波信号的分流很大，即滤波器不允许谐波信号通过负载，一般取滤波器的截止频率fc=(3～5)f0，为了避免对某次谐波过度放大，取fc= 4．5f0=1 800 Hz，逆变器的输出功率和输出电压求得负载阻抗RL，滤波器的标称特性阻抗R=(0．5～0．8)RL，则Lf=R／(4πfC)，Cf=Lf ／R2= 1／(2πfCR)。实际电路中，L取200 μH，C=470μF。

3 控制与算法设计
    该系统的MCU选择的MSP430，MSP430系列是TI公司推出的超低功耗16单片机，性价比高，功能强，运行的速度快，其工作电流不到1mA，而且其具有多种低功耗模式。该方案选用了MSP430F2618作为主控芯片，监测输入电流、电压，过流、欠压时保护和故障排除后恢复；采样输出电压和电压跟踪最大功率；显示当前系统状态和输出的相关数据。
3．1 最大功率追踪算法
    最大功率点跟踪算法根据判断原理和实现方法，大概可以归纳为六种：恒定电压及其改进算法、恒定电流及其改进算法、扰动观察法、增量电导法、模糊逻辑控制算法及神经网络控制算法。

    扰动观察法是一种较为简单实用且容易实现的方法，其思想是通过周期性的给电源的输出电压加扰动△V，测得电源的输出电流和电压，比较该采样时刻的输出功率P(t)与前一采样时刻输出功率P(t-1)的大小；如果P(t)>P(t-1)，则在下一周期以同样方向加扰动，否则改变扰动的方向，这样逐步逼近最大功率点。但跟踪步长的设定无法兼顾跟踪精度和响应速度，在最大功率点附近振荡运行，会导致一定功率损失。
3．2 基于FPGA的相位追踪
    该系统中产生的SPWM信号的正弦基波信号是FPGA内部的地址每次累加1位，然后查询FPGA内存储了正弦表的ROM，现将外部参考正弦信号和本系统自已产生的正弦波形通过比较器整形后的信号都输入FPGA，通过FPGA内部的异或门后得到的新信号，新信号为高表明两路信号依然存在相位差，这时FPGA内部的地址累加器递增2位，即让自己产生的正弦波的相位向前递增一个量化值，直至两路信号异或的结果完全为低为
止。由于FPGA的高速运算，整个相位的追踪在两个周期以内可以完成，能满足市场应用的要求。

4 结语
    该系统以MCU-FPGA为构架，实现了风光逆变并网系统。系统充分利用了数字系统的计算精度，将逆变波形与外网市电的相位差控制在2°以内，并且通过最大功率追踪，让太阳能电池板或者风力发电机的发电效率达到最大。该系统成本低，体积小，且人性化设计，方便今后直接大批量投入市场使用。