经典方案：光伏并网发电装置的系统实现

经典方案：光伏并网发电装置的系统实现一、项目概述1.1项目摘要系统以FPGA为控制核心，由MOSFET管全桥逆变电路以及其IR2110对其驱动、SPWM（正弦脉宽调制）波的生成、电压电流的检测、相位频率跟踪等模块组成。其中SPWM波由在FPGA内部由软件产生的三角波的正弦波经数字比较器比较产生。通过改变正弦波的幅值来调节调制比，调节SPWM波的占空比，从而调节电压来达到功率最大。采用MPPT算法对系统进行功率最大跟踪。此系统还实现系统的欠压和过流保护，同频同相控制。1.2项目背景/选题动机随着当令能源的消耗日益剧增和传统能源的日趋减少，以及使用传统能源所带来的一系列相关问题逐渐增加，如环境污染、温室效应等诸多问题，对于开发新能源的需求越来越大。光伏并网是太阳能利用的发展趋势，光伏发电系统将主要用于调峰电站和屋顶光伏系统。在光伏并网系统中，并网逆变器是核心部分。DC-AC逆变环节主要使输出电流与电网电压同相位，同刚获得单位功率因数。选题动机：目前作为基础设施的电力行业正在努力利用太阳能，为电力的发展注入新的生机与活力。光伏并网发电已经成为时代的潮流和制约太阳能应用的关键技术，本设计主要对光并网发电中的一些技术做了相关研究，本设计主要实现了模拟光伏电源由直流转换为单相交流电源的功能，具有最大功率点跟踪功能和频率相位跟踪功能，另外增加了相关的保护和显示功能。而且太阳能光伏发电市场受到各国政府的重视，国家扶持力度较大，2011年7月30日中国首座利用太阳能发电的公安消防站投入使用，光伏发电具有较广泛的前景。二、需求分析2.1功能要求设计并制作一个光伏并网发电模拟装置，其结构框图如图1所示。用直流稳压电源US和电阻RS模拟光伏电池，US=60V，RS=30Ω~36Ω；uREF为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为2V，频率fREF为45Hz~55Hz；T为工频隔离变压器，变比为n2:n1=2:1、n3:n1=1:10，将uF作为输出电流的反馈信号；负载电阻RL=30Ω~36Ω。图1并网发电模拟装置框图（1）具有最大功率点跟踪（MPPT）功能：RS和RL在给定范围内变化时，使，相对偏差的绝对值不大于1%。（2）具有频率跟踪功能：当fREF在给定范围内变化时，使uF的频率fF=fREF，相对偏差绝对值不大于1%。（3）实现相位跟踪功能：当fREF在给定范围内变化以及加非阻性负载时，均能保证uF与uREF同相，相位偏差的绝对值≤5°。2.2性能标准（1）当RS=RL=30Ω时，DC-AC变换器的效率≥80%。（2）当RS=RL=30Ω时，输出电压uo的失真度THD≤1%。（3）具有输入欠压保护功能，动作电压Ud（th）=（25±0.5）V。（4）具有输出过流保护功能，动作电流Io（th）=（1.5±0.2）A。（5）过流、欠压故障排除后，装置能自动恢复为正常状态。（6）当负载温度过高时，系统停止工作。三、方案设计3.1系统功能实现原理1.最大功率跟踪方案采经典MPPT算法，对光伏电网的输出电压和电流进行连续采样，寻找P=U*I最大的点，即最大功率点。此方法变化步进由模拟光伏电池输出端的电压变化速率决定，能够快速逼近最大功率点。2.DC-AC电路方案我们使用FPGA产生SPWM波信号驱动半桥或全桥DC-AC逆变器，经输出LC滤波后得到逆变信号。此方案中SPWM波的产生是由软件实现的。DC-AC的逆变电路由分立元件搭建的，采用高速功率开关IRF540N及MOS管驱动芯片IR2110搭建电路。通过调节调制比来调节MOS管的通断，从而调节逆变电压的大小。3．同频同相控制方案的实现采用边沿触发法和数字反馈调节法进行调整。分别对输入参考信号和反馈信号利用比较器整形之后，对其上升沿进行检测，这个操作由硬件实现得到其频率和相位的差值，在FPGA内部由数字反馈的方式对再对输入信号进行相位调整，这些操作都由软件实现。4.欠压、过流，温度过高保护电路通过检测输入电压Ud，输入电流Id和输出电流Io的数值，用ADC0809转化为数字信号反馈到FPGA控制系统中，FPGA控制继电器的通断来实现欠压和过流保护。通过温度传感器对负载温度进行测量，当温度过高时控制继电器断开。系统硬件结构框图5.单相全桥逆变电路及其驱动电路采用IR2110为半桥驱动芯片，只需连接自举电容，利用内部自举电路即可实现对桥路的驱动，对于全桥电路只需将两片IR2110驱动各自的半桥即可。6.电压电流的测量输入电流的测量通过测量串入回路的小电阻的两端的电压，再由AD620放大100倍，再进行A/D转换再让FPGA计算出当时所检测到的电流大小，并显示；7.输出端电流Io为交流，先同测输入端电流方法一样放大100倍后，再由AD637转为直流电压再同（2）中计算并显示。3.2硬件资源配置放大器使用AD620，有效值转换使用AD637，A/D转换使用ADC0809，最小系统使用FPGA，驱动芯片使用IR2110，MOS管使用IR540，温度传感器使用ST公司赠予的STEVAL-MKI062V2开发套件中的温度传感器，以及一些元器件3.3系统软件架构三角波的生成：计数器从0000000000增到1111111111，再从1111111111减到0000000000，则可以得到一个10位的三角波。正弦波生成：用MATLAB生成一个十位的mif文件，再把这1024个点产生1024个地址，把地址存入ROM中，读出采样数据即可得到所要正弦波。SPWM波生成结构框图：软件架构图SPWM波是由三角波与正弦波进行比较，正弦波幅值大于三角波的幅值时，输出高电平，反之输出低电平。3.4系统软件流程FPGA通过检测ADC0809上读回来的的输入电压电流，和