基于FPGA 的太阳能并网逆变器的设计解析

系统概述
　　新能源发电成为21世纪解决能源危机的必经出路，光伏发电、风电、核电等新能源发电是目前新能源发电研究的几大方向。这几种新能源各有各的特点，我们选择了最靠近我们的光伏发电作为研究出发点。
　　目前光伏发电并网技术的研究愈加深入成熟，而关于光伏发电技术的具体应用环节还是有着许多发挥余地。光伏发电的优点是清洁安全、分布相对较为均匀、可持续利用。同时光伏发电也存在自己的问题，其中一个很重要的问题是光伏发电需要做的是收集辐射到地表的太阳能，这个环节需要占用大量的空间，这个问题使光伏发电的应用有着自己的特点。现在大多数的并网系统都是采用DSP控制， DSP往往靠一些特殊的指令处理复杂算法，这些指令局限于DSP控制器设计人员的预知范围，而在FPGA中，用户可以自由定义各种IP核，实现一些高效的复杂算法，由于与MATLAB在系统设计上有对应接口，设计起来也较为方便。
　　本系统设计的光伏逆变系统，采用了FPGA作为主控芯片，控制BUCK做最大功率跟踪，以及采用一个桥式电路，通过变压器，将模拟的光伏电池板上的电能输出到电网上。 系统框架图如下所示：
　　
　　图 1.1系统方案图
　　2 电路与程序设计
　　这里分模块对电路各结构进行介绍，介绍内容包括电路拓扑、控制算法以及测量回路。系统主要可以分为两部分，以拓扑来分，前端的BUCK主要实现最大功率跟踪（MPPT）功能，后级的全桥通过锁相、电流环反馈实现电能输出。
　　2.1 MPPT设计
　　光伏电池板的输出电压有着很宽的工作范围，而且可以根据需要进行光伏板的串并联，我们在模拟光伏电池板工作时选取了额定电压为60V、额定功率100W的光伏电池板。为了保证实验安全，输出电压控制在36V附近，然后通过变压器输送到电网去。出于以上 考虑，我们选择了Buck拓扑来做最大功率跟踪设计。
　　基本的Buck拓扑中采用了二极管作为续流通路。我们的电路输出侧工作在低压大电流的条件下，如果采用基本的buck拓扑，在二极管上会有很大损耗，极大的影响了效率。为了提高效率，我们采用Mosfet代替续流二极管，使续流的Mosfet和主开关管工作在互补工作状态，替代了续流二极管的作用，极大地提高了效率。