基于MCU-Fbob手机版网页体育PGA架构的风光逆变并网
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bob手机版网页体育发电机,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、成本低、易于批量生产、人机界面友好,并配有输入电压监测、输出过流监测、实时动态相位监测等多种监测设置。,这也使得该装置具有良好的安全性能。稍加改动即可广泛使用。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201611/316294.htm

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。1方案论证1.1主功率电路拓扑方案1:全桥逆变器。该桥由四个功率开关管组成,分为两组,其中Q1和Q4为一组,Q2和Q3为一组,两组交替导通和关断。交流方波电压输出通过LC低通滤波器,获得交流正弦输出电压(见图1)。全桥逆变器输出滤波电容电压可以连续测量。该电路的输出经过LC滤波后可以得到良好的波形。方案二:双升压DC/交流单级变换电路拓扑。这种结构由两个对称的双向电流升压DC/DC转换器电路组成(见图2)。负载R跨接在两个电容之间,通过两侧电流的双向流动,在负载上实现交流工频电压输出的效果。开关M1 ~ M4是由MOSFET和二极管组成的可控开关,能量可以双向流动。因为电路工作在完全对称的状态,所以对L1和L2的选择特别敏感。如果不对称,输出波形会失真。

第二种方案中,正弦的正半轴和负半轴由两个滤波电路完成,很难完成波形的畸变,而第一种方案中,正弦经过同一个电感滤波后畸变很小。因此,采用第一种方案。

1.2正弦波产生方案方案一:逆变器采用专用SPWM芯片实现。目前SPWM专用芯片外围电路简单,易于实现。但是在这个系统中很难跟踪和调整市电相位。因此,不采用该方案。方案二:用FPGA产生SPWM波形。这种方案的优点是容易准确方便地控制输出正弦波的相位和幅值,外围电路更加简单灵活方便。相比第一个方案,更加优化,所以选择这个方案。

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>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。1.3总体系统设计框架方案总结以上选定的方案。这里,我们选择一个基于数字电路的、简单的模拟电路结构。将数字高集成度、高精度、高性价比、高稳定性的特点与模拟大功率的特点充分结合,更好地实现设计要求。并且扩展了无线监控功能,更加真实地展示了本设计的实际应用环境,体现了更加人性化的设计。总体方案如图3所示。1/(& omega;KC),电感对谐波信号有很大的阻抗,电容对谐波信号有很大的分流,即滤波器不允许谐波信号通过负载。一般滤波器的截止频率为FC = (3 ~ 5) F0。为了避免某次谐波被过度放大,fc= 4.5f0=1 800 Hz,负载阻抗RL由逆变器的输出功率和电压得到。滤波器的标称特性阻抗R为R = (0.5 ~ 0 fC),Cf = Lf/R2 = 1/(2 & pi;fCR).在实际电路中,L取200μ;h,C = 470μ;f .

3控制及算法设计系统MCU选用的MSP430和MSP430系列是TI公司推出的16片超低功耗单片机,性价比高,功能强,运行速度快,工作电流小于1mA,低功耗模式多。在该方案中,选用MSP430F2618作为主控芯片,监控输入电流和电压,进行过流和欠压保护,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bob手机版网页体育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。3.1最大功率跟踪算法根据判断原理和实现方法,最大功率点跟踪算法大致可以分为六种:恒压及其改进算法、恒流及其改进算法、扰动观察法、电导增量法、模糊逻辑控制算法和神经网络控制算法。P(t-1),在下一个周期加入同方向的扰动,否则改变扰动的方向,从而逐渐接近最大功率点。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的功率损耗。3.2基于FPGA的相位跟踪。本系统产生的SPWM信号的正弦基波信号是FPGA内部的地址,一次累加一位。然后,查询FPGA中存储正弦表的ROM。现在,外部参考正弦信号和系统自身产生的正弦波形经过比较器整形后输入FPGA,经过FPGA内部的异或门后得到新的信号。当新信号为高电平时,表示两个信号之间仍有相位差。此时,FPGA内部的地址累加器增加2位,即自身产生的正弦波的相位增加一个量化值,直到两个信号的异或结果完全为低。由于FPGA的高速运算,整个相位跟踪可以在两个周期内完成,可以满足市场应用的要求。

结论该系统基于MCU-FPGA,实现了风光互补并网系统。该系统充分利用数字系统的计算精度,将逆变器波形与外部电网功率的相位差控制在2 & deg通过最大功率跟踪,太阳能电池板或风力涡轮机的发电效率可以最大化。该系统具有成本低、体积小、人性化设计的优点,便于将来直接大批量投入市场。

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