為了緩解能源問題，在完全兼容現(xiàn)有供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,，該系統(tǒng)采用風(fēng)能和太陽能對電能進(jìn)行補(bǔ)給的方法,，并且附帶快速檢測孤島效應(yīng)，快速并網(wǎng)和斷網(wǎng)的功能,。系統(tǒng)的功率電路部分采用全橋拓?fù)?/a>進(jìn)行逆變,，數(shù)字控制系統(tǒng)采用MCU+FPGA構(gòu)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(diào)整系統(tǒng)輸出相位,，讓輸出和外網(wǎng)市電實(shí)現(xiàn)同相位。MCU完成對太陽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(yīng)檢測等功能,。針對電力系統(tǒng)強(qiáng)電的特性并結(jié)合當(dāng)今熱門的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，該系統(tǒng)人性化地設(shè)計(jì)了無線檢測的功能,，用戶能通過手機(jī),，計(jì)算機(jī)或者手持式終端就可以了解當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)。該系統(tǒng)創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)方式既可以用于電廠的多能源并行發(fā)電,，也適合家用,，讓家庭從用電的角色轉(zhuǎn)變微型發(fā)電廠，從而大大的緩解能源問題,。
近二百年來,，人類利用煤、石油及天燃?xì)庾鳛槟茉?，使生產(chǎn)力提高近200倍,。然而化石能源逐步枯竭,，而且污染等也很嚴(yán)重。隨著能源問題的日益突出,，尋找新型綠色能源已經(jīng)是刻不容緩的問題,。而在公認(rèn)的綠色能源中，數(shù)太陽能和風(fēng)能是最容易獲取并高效利用的能源,。
本文以太陽能,，風(fēng)能為中心，設(shè)計(jì)一個(gè)風(fēng)光并網(wǎng)發(fā)電的模擬裝置,，能夠?qū)⑻柲芑蛘唢L(fēng)能發(fā)電機(jī)的直流電壓轉(zhuǎn)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(diào)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(shè)計(jì)時(shí)考慮了發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻。在測試時(shí)以60 V直流穩(wěn)壓電源模擬理想的太陽能電池板或者風(fēng)力發(fā)電機(jī),，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(nèi)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(jiān)控,，輸出過流監(jiān)控實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相位監(jiān)控等多種監(jiān)控設(shè)置也使得該裝置安全性能很好,。稍加改動(dòng)即可廣泛應(yīng)用。
1 方案論證
1．1 主功率電路拓?fù)浞桨?/p>
方案一：全橋逆變,。
全橋由4只功率開關(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(見圖1),。全橋型逆變器的輸出濾波電容電壓連續(xù)可測的。該電路輸出經(jīng)LC濾波后便能得到很好的波形,。
風(fēng)光逆變" />
方案二：雙Boost DC／AC單級變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。
該結(jié)構(gòu)由2個(gè)對稱的電流雙向流動(dòng)的Boost DC／DC變換電路組成(見圖2)。負(fù)載R跨接在兩個(gè)電容之間,，通過兩邊電流的雙向流動(dòng),，從而在負(fù)載上實(shí)現(xiàn)交流工頻電壓輸出的效果。開關(guān)M1～M4均為由MOSFET和二極管組成的能量可以雙向流動(dòng)的可控開關(guān),。由于電路工作在完全對稱的狀態(tài)下,，因此對L1和L2的選擇特別敏感,，如果不對稱則會(huì)照成輸出波形失真。
方案二在正弦的正半軸和負(fù)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：采用專用SPWM芯片實(shí)現(xiàn)逆變。
目前的SPWM專用芯片外圍電路簡單,，易于實(shí)現(xiàn),。但是很難完成本系統(tǒng)中對市電相位追蹤和調(diào)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(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)架方案
總結(jié)上述選擇的方案,，這里選擇以數(shù)字電路為主，配合簡潔的模擬電路的結(jié)構(gòu),。充分的把數(shù)字的高集成度,，高準(zhǔn)確度，高性價(jià)比和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)和模擬大功率的特點(diǎn)有機(jī)的結(jié)合,，較好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求,。并且拓展了無線監(jiān)測功能,，更加真實(shí)表現(xiàn)了本設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和展現(xiàn)更加人性化的設(shè)計(jì)。總體方案見圖3,。
2 主回路電器選擇以及參數(shù)計(jì)算
系統(tǒng)主回路由DC-AC變換器電路以及對輸入／輸出波形的整形和測量電路構(gòu)成,。為了減少損耗,，同時(shí)又防止被反向擊穿,，主開關(guān)管選IRFB52N15(額定電流60A，耐壓150V,，導(dǎo)通電阻32MΩ),。采用SPWM控制的逆變電路，輸出SPWM波中含有大量的高頻諧波,，加上防止上下橋臂直通而設(shè)置的死區(qū),，開關(guān)時(shí)間和功率器件參數(shù)差異等因素，輸出電壓只能夠也含有一定的低次諧波，為了保證波形失真度盡可能低,，必須采用輸出濾波器,。全橋采用LC濾波，其中的感抗XL=ωL=2πfL,，容抗XC=1／(ωC)=1／(2πfC),。令ωL=1／(ωC)，得到對應(yīng)的截止頻率d.jpg設(shè)逆變器輸出電壓的基波為f0,，最低次諧波頻率fk,，f0
3 控制與算法設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)的MCU選擇的MSP430,，MSP430系列是TI公司推出的超低功耗16單片機(jī)，性價(jià)比高,，功能強(qiáng),，運(yùn)行的速度快,，其工作電流不到1mA，而且其具有多種低功耗模式,。該方案選用了MSP430F2618作為主控芯片,，監(jiān)測輸入電流、電壓,，過流,、欠壓時(shí)保護(hù)和故障排除后恢復(fù)；采樣輸出電壓和電壓跟蹤最大功率,；顯示當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)和輸出的相關(guān)數(shù)據(jù),。
3．1 最大功率追蹤算法
最大功率點(diǎn)跟蹤算法根據(jù)判斷原理和實(shí)現(xiàn)方法，大概可以歸納為六種：恒定電壓及其改進(jìn)算法,、恒定電流及其改進(jìn)算法,、擾動(dòng)觀察法、增量電導(dǎo)法,、模糊邏輯控制算法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法,。
擾動(dòng)觀察法是一種較為簡單實(shí)用且容易實(shí)現(xiàn)的方法，其思想是通過周期性的給電源的輸出電壓加擾動(dòng)△V,，測得電源的輸出電流和電壓,，比較該采樣時(shí)刻的輸出功率P(t)與前一采樣時(shí)刻輸出功率P(t-1)的大小,；如果P(t)>P(t-1),，則在下一周期以同樣方向加擾動(dòng)，否則改變擾動(dòng)的方向,，這樣逐步逼近最大功率點(diǎn),。但跟蹤步長的設(shè)定無法兼顧跟蹤精度和響應(yīng)速度，在最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行,，會(huì)導(dǎo)致一定功率損失,。
3．2 基于FPGA的相位追蹤
該系統(tǒng)中產(chǎn)生的SPWM信號的正弦基波信號是FPGA內(nèi)部的地址每次累加1位，然后查詢FPGA內(nèi)存儲(chǔ)了正弦表的ROM,，現(xiàn)將外部參考正弦信號和本系統(tǒng)自已產(chǎn)生的正弦波形通過比較器整形后的信號都輸入FPGA,，通過FPGA內(nèi)部的異或門后得到的新信號，新信號為高表明兩路信號依然存在相位差,，這時(shí)FPGA內(nèi)部的地址累加器遞增2位,，即讓自己產(chǎn)生的正弦波的相位向前遞增一個(gè)量化值，直至兩路信號異或的結(jié)果完全為低為止,。由于FPGA的高速運(yùn)算,，整個(gè)相位的追蹤在兩個(gè)周期以內(nèi)可以完成，能滿足市場應(yīng)用的要求。
4 結(jié)語
該系統(tǒng)以MCU-FPGA為構(gòu)架,，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)光逆變并網(wǎng)系統(tǒng),。系統(tǒng)充分利用了數(shù)字系統(tǒng)的計(jì)算精度，將逆變波形與外網(wǎng)市電的相位差控制在2°以內(nèi),，并且通過最大功率追蹤,，讓太陽能電池板或者風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率達(dá)到最大。該系統(tǒng)成本低,，體積小,，且人性化設(shè)計(jì)，方便今后直接大批量投入市場使用,。