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，和输出电流，首先对这几个值进行转换，比如电流值要通过计算得到，然后再比较是否欠压和过流，如果欠压或者过流了控制继电器断开，0.5s之后再一次检测，如果没有欠压或者过流就直接进行最大功率跟踪，然后在液晶显示屏上显示出输入电压电流，输出电流以及输入功率。
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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。
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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°。
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（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
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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。
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3.3系统软件架构
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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，和输出电流，首先对这几个值进行转换，比如电流值要通过计算得到，然后再比较是否欠压和过流，如果欠压或者过流了控制继电器断开，0.5s之后再一次检测，如果没有欠压或者过流就直接进行最大功率跟踪，然后在液晶显示屏上显示出输入电压电流，输出电流以及输入功率。
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