基于MCU-FPGA的風(fēng)光逆變并網(wǎng)系統設計

摘要：為了緩解能源問(wèn)題，在完全兼容現有供電系統的基礎上，該系統采用風(fēng)能和太陽(yáng)能對電能進(jìn)行補給的方法，并且附帶快速檢測孤島效應，快速并網(wǎng)和斷網(wǎng)的功能。系統的功率電路部分采用全橋拓撲進(jìn)行逆變，數字控制系統采用MCU-FPGA構架。由全硬件完成對外網(wǎng)市電的倍頻工作，再由FPGA動(dòng)態(tài)調整系統輸出相位，讓輸出和外網(wǎng)市電實(shí)現同相位。MCU完成對太陽(yáng)能電池板的最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)，發(fā)電端電壓欠壓檢測以及孤島效應檢測等功能。針對電力系統強電的特性并結合當今熱門(mén)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，該系統人性化地設計了無(wú)線(xiàn)檢測的功能，用戶(hù)能通過(guò)手機，計算機或者手持式終端就可以了解當前系統狀態(tài)。該系統創(chuàng )造性的設計方式既可以用于電廠(chǎng)的多能源并行發(fā)電，也適合家用，讓家庭從用電的角色轉變微型發(fā)電廠(chǎng)，從而大大的緩解能源問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：風(fēng)能；太陽(yáng)能；孤島效應；最大功率追蹤；物聯(lián)網(wǎng)

0 引言
近二百年來(lái)，人類(lèi)利用煤、石油及天燃氣作為能源，使生產(chǎn)力提高近200倍。然而化石能源逐步枯竭，而且污染等也很?chē)乐?。隨著(zhù)能源問(wèn)題的日益突出，尋找新型綠色能源已經(jīng)是刻不容緩的問(wèn)題。而在公認的綠色能源中，數太陽(yáng)能和風(fēng)能是最容易獲取并高效利用的能源。
本文以太陽(yáng)能，風(fēng)能為中心，設計一個(gè)風(fēng)光并網(wǎng)發(fā)電的模擬裝置，能夠將太陽(yáng)能或者風(fēng)能發(fā)電機的直流電壓轉換為交流電，并檢測外網(wǎng)交流電的頻率和相位，動(dòng)態(tài)的調整自己的交流電的波形，使得與外網(wǎng)電能同頻同相。該裝置在設計時(shí)考慮了發(fā)電機的內阻。在測試時(shí)以60 V直流穩壓電源模擬理想的太陽(yáng)能電池板或者風(fēng)力發(fā)電機，電源輸入級串聯(lián)一個(gè)30 Ω功率電阻模擬發(fā)電部分的內阻。
該裝置體積小巧，成本低廉，易于量產(chǎn)，人界交互界面友好，并附帶輸入電壓監控，輸出過(guò)流監控實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相位監控等多種監控設置也使得該裝置安全性能很好。稍加改動(dòng)即可廣泛應用。

1 方案論證
1．1 主功率電路拓撲方案
方案一：全橋逆變。
全橋由4只功率開(kāi)關(guān)管管組成，分為2組，其中Q1和Q4為一組，Q2和Q3為一組，兩組交替通斷，輸出交流方波電壓經(jīng)LC低通濾波器后得到交流正弦輸出電壓(見(jiàn)圖1)。全橋型逆變器的輸出濾波電容電壓連續可測的。該電路輸出經(jīng)LC濾波后便能得到很好的波形。

方案二：雙Boost DC／AC單級變換電路拓撲結構。
該結構由2個(gè)對稱(chēng)的電流雙向流動(dòng)的Boost DC／DC變換電路組成(見(jiàn)圖2)。負載R跨接在兩個(gè)電容之間，通過(guò)兩邊電流的雙向流動(dòng)，從而在負載上實(shí)現交流工頻電壓輸出的效果。開(kāi)關(guān)M1～M4均為由MOSFET和二極管組成的能量可以雙向流動(dòng)的可控開(kāi)關(guān)。由于電路工作在完全對稱(chēng)的狀態(tài)下，因此對L1和L2的選擇特別敏感，如果不對稱(chēng)則會(huì )照成輸出波形失真。
方案二在正弦的正半軸和負半軸是兩個(gè)濾波電路完成的，所以在波形的失真度上完成有難度，而方案一是由同一個(gè)電感濾波得到的，濾波后正弦失真度非常小。故采用方案一。
1．2 正弦波產(chǎn)生方案
方案一：采用專(zhuān)用SPWM芯片實(shí)現逆變。
目前的SPWM專(zhuān)用芯片外圍電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現。但是很難完成本系統中對市電相位追蹤和調整。故不采用本方案。
方案二：使用FPGA生成SPWM波形。
此方案的優(yōu)點(diǎn)是容易精確方便地控制輸出正弦波的相位和幅度，而且外圍電路更加簡(jiǎn)單，靈活方便。相對于方案一更優(yōu)化，故選擇此方案。
1．3 整體系統設計構架方案
總結上述選擇的方案，這里選擇以數字電路為主，配合簡(jiǎn)潔的模擬電路的結構。充分的把數字的高集成度，高準確度，高性?xún)r(jià)比和高穩定性的特點(diǎn)和模擬大功率的特點(diǎn)有機的結合，較好地實(shí)現了設計要求。并且拓展了無(wú)線(xiàn)監測功能，更加真實(shí)表現了本設計的實(shí)際應用環(huán)境和展現更加人性化的設計?？傮w方案見(jiàn)圖3。