基于FPGA 的太陽能并網(wǎng)逆變器的研究
系統(tǒng)概述
本文引用地址:http://cafeforensic.com/article/276074.htm新能源發(fā)電成為21世紀(jì)解決能源危機(jī)的必經(jīng)出路,光伏發(fā)電、風(fēng)電、核電等新能源發(fā)電是目前新能源發(fā)電研究的幾大方向。這幾種新能源各有各的特點,我們選擇了最靠近我們的光伏發(fā)電作為研究出發(fā)點。
目前光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的研究愈加深入成熟,而關(guān)于光伏發(fā)電技術(shù)的具體應(yīng)用環(huán)節(jié)還是有著許多發(fā)揮余地。光伏發(fā)電的優(yōu)點是清潔安全、分布相對較為均勻、可持續(xù)利用。同時光伏發(fā)電也存在自己的問題,其中一個很重要的問題是光伏發(fā)電需要做的是收集輻射到地表的太陽能,這個環(huán)節(jié)需要占用大量的空間,這個問題使光伏發(fā)電的應(yīng)用有著自己的特點?,F(xiàn)在大多數(shù)的并網(wǎng)系統(tǒng)都是采用DSP控制, DSP往往靠一些特殊的指令處理復(fù)雜算法,這些指令局限于DSP控制器設(shè)計人員的預(yù)知范圍,而在FPGA中,用戶可以自由定義各種IP核,實現(xiàn)一些高效的復(fù)雜算法,由于與MATLAB在系統(tǒng)設(shè)計上有對應(yīng)接口,設(shè)計起來也較為方便。
本系統(tǒng)設(shè)計的光伏逆變系統(tǒng),采用了FPGA作為主控芯片,控制BUCK做最大功率跟蹤,以及采用一個橋式電路,通過變壓器,將模擬的光伏電池板上的電能輸出到電網(wǎng)上。 系統(tǒng)框架圖如下所示:
圖 1.1系統(tǒng)方案圖
2 電路與程序設(shè)計
這里分模塊對電路各結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹,介紹內(nèi)容包括電路拓?fù)?、控制算法以及測量回路。系統(tǒng)主要可以分為兩部分,以拓?fù)鋪矸?,前端的BUCK主要實現(xiàn)最大功率跟蹤(MPPT)功能,后級的全橋通過鎖相、電流環(huán)反饋實現(xiàn)電能輸出。
2.1 MPPT設(shè)計
光伏電池板的輸出電壓有著很寬的工作范圍,而且可以根據(jù)需要進(jìn)行光伏板的串并聯(lián),我們在模擬光伏電池板工作時選取了額定電壓為60V、額定功率100W的光伏電池板。為了保證實驗安全,輸出電壓控制在36V附近,然后通過變壓器輸送到電網(wǎng)去。出于以上 考慮,我們選擇了Buck拓?fù)鋪碜鲎畲蠊β矢櫾O(shè)計。
基本的Buck拓?fù)渲胁捎昧硕O管作為續(xù)流通路。我們的電路輸出側(cè)工作在低壓大電流的條件下,如果采用基本的buck拓?fù)?,在二極管上會有很大損耗,極大的影響了效率。為了提高效率,我們采用Mosfet代替續(xù)流二極管,使續(xù)流的Mosfet和主開關(guān)管工作在互補(bǔ)工作狀態(tài),替代了續(xù)流二極管的作用,極大地提高了效率。
2.1.1工作原理
電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下:
圖 2.1.1 充電電路拓?fù)?/p>
電路工作主要波形如下:
圖2.1.2 電路工作波形
假設(shè)條件:
電感電流連續(xù);
輸出濾波電容兩端電壓恒定。
工作過程:
開關(guān)管M1開通時,開關(guān)管M2關(guān)斷:電流經(jīng)由開關(guān)管M1、電感L向負(fù)載供電,同時向電容充電。電感L在正向電壓作用下,電流線性上升。
開關(guān)管M1關(guān)斷時,開關(guān)管M2導(dǎo)通:電感L電流連續(xù),電感電流不能突變,電流經(jīng)由開關(guān)管M2、電感L這個環(huán)路流通。電感L承受反壓,電感電流線性減小。電容放電,向負(fù)載提供電流,保證負(fù)載電流穩(wěn)定。
2.1.2理論公式
由電感L上的伏秒平衡可推得電路的電壓比M:
2.1.3 電路主要器件參數(shù)計算
Buck電路器件的核心是濾波電感的設(shè)計,我們關(guān)于電路器件的參數(shù)設(shè)計是圍繞此展開的。
濾波電感的工作參數(shù):
最大平均工作電流:2.77A
由于通過電感的電流很大,電感很容易飽和。我們直接選取了實驗室最大尺寸的磁芯EE40。由于繞制電感時,實驗室最粗的線徑為0.71mm,我們只有選擇0.71mm。由于繞制電感時,并繞的股數(shù)不能過多??紤]到模型電路連續(xù)工作時間不會很長,我們選取了較大的漆包線電流密度經(jīng)驗值6~8A。我們選擇5股并繞,由公式計算0.71*0.71*5*8A=20.164A。這個設(shè)計值勉強(qiáng)能滿足設(shè)計要求。
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