基于FPGA 的太阳能并网逆变器的研究

　　上述改进型BUCK电路如果采用两个MOSFET驱动互补的方式，除了降低损耗外还可以达到一些比较好的结果，比如不用考虑电流续流问题，因为电流可以在电容上倒流。但反相电流增加了开关损耗和导通损耗，只要电流倒流产生的损耗比通过传统BUCK电路二极管管压损耗小，整个系统相对来说损耗是减小的。推导过程和传统算法一样[6]，只是电感电流可为负。由于IR2111单路PWM波输入时，可以输出带死区上下管驱动信号，在控制策略上只需要控制单路PWM输出的占空比即可。

　　2. 2逆变器设计

逆变器的拓扑如下图所示，通过控制通过电感上面的电流信号可以控制系统的输出功率、功率因素以及相应的谐波成分。目前简单的控制算法是电压外环加电流内环PI控制。复杂的有带FIR滤波的重复控制、矢量控制(三相)等等。本控制系统采用传统的电压电流环控制方法，通过锁相查表的方式获取波形数据，针对电网需求可以作一定量的无功补偿。

　　图表 2.2.1逆变系统拓扑

　　2.2.1逆变器参数选取

　　单相逆变器由直流侧、逆变桥及输出滤波组成，单相逆变器简化拓扑如图2.2.1所示。逆变器控制模型中，参考正弦波

　　由于逆变器采用单相桥式电路，可以采用单极倍频调制方式的，由状态平均法分析可以得到直流电源电压与A点电压之间的关系式2.2.1，其中

　　为了将SPWM波的谐波分量滤除，在逆变器的输出端加了LC滤波器，从而得到正弦交流信号，A、B两点的电压、

　　交流电感的选择主要考虑抑制电流纹波和满足动态电流波形品质，同时应尽量减小电感，减小系统体积。

　　满足抑制电流纹波要求，电感的选择应满足：

　　(其中为输出直流侧电压，为开关周期，为谐波脉动电流峰值的最大允许值)

　　直流侧最大电压为，开关频率为，最大电流有效值为

　　满足快速跟踪基准电流要求，电感应满足：

　　(其中为输出直流侧电压，为交流电压峰值，为正弦波基准电流峰值，为正弦电流角频率)

　　取输出交流电压有效值，正弦波基准电流峰值

　　考虑到实际电感设计，系统最终设计得出的电感为：

　　2.2.2 逆变器控制程序

　　系统的控制由在FPGA中完成。在FPGA中搭建一些硬件模块，设计PWM的IP核，以及ADC的控制接口，然后通过片上控制器完成系统代码程序。上电后先对系统各部分的初始化，然后进入循环，扫描按键，执行显示程序。如果需要注入无功补偿，通过系统的人机交互界面可以完成。

　　系统的控制主要在三个中断函数中进行。在Timer7的溢出中断服务函数中完成电流大小的控制，首先进行电流的检测，测得的量可以通过主函数中的显示程序执行显示功能。由于采样频率较高，然后通过PI调节可以瞬时地完成相应电流输出。完成测量后进行电流或电压的PI调节，输出一个占空比指令。在采到过零比较输出的上升沿后触发边沿中断。由于改变DDS的频率控制字可以同时完成相位和频率的跟踪，因而用PI调节可以将相位锁住在某个点上。DDS中断中主要完成扫描正弦表，进行DDS相位累加。输出功率通过保持直流母线上的电压，可以知道输出电流指令大小。系统软件流程图如图2所示。

　　图 2.2.2 软件流程图

　　2.2.3电路设计

　　这部分描述逆变器除FPGA之外的电路原理图，标明具体参数及采用器件。

　　2.2.3.1驱动电路设计

　　驱动电路采用IR2110来驱动开关管，由于控制信号要和主电路要电气隔离，故这里选用74HC14反相器和HCP2630隔离光耦，具体电路图如下图所示：

　　图2.2.3驱动电路原理图

　　2.2.3.2交流电流信号调理电路设计

　　交流电流信号的调理电路的处理流程如下图所示：

　　图 2.2.4 交流电流信号调理电路流程图

　　滤波电路的设计：设定截止频率为开关频率的1/5以下，通过Filter Solution软件给出二阶滤波器电路，结合实际器件，最终的滤波截止频率为：

　　实际电路图如下：

　　图2.2.5 交流电流信号处理电路

　　2.2.3.3交流电压信号调理电路设计

　　交流电压信号需要得出峰值和相位，信号处理流程如下：

　　图2.2.6 交流电压信号调理电路流程图

　　实际采用电路原理图如下：

　　图2.2.7 交流电压过零比较和峰值检测电路

　　2.2.3.4 直流电压测量电路设计

　　输出信号连接到下图所示的线性隔离光耦电路，通过在HCNR201光耦输入输出配置运放可以实现线性放大。光耦主要是实现主电路与控制器的电气隔离，从而保护FPGA的安全。

　　图 2.2.4.2线性光耦测量电路原理图