基于SmartFUSion的光伏逆變控制和功率管理方案

本文主要介紹基于Actel SmartFusion系列FPGA在光伏應(yīng)用中的逆變控制和功率管理方案。隨著社會(huì)的發(fā)展，可再生能源的應(yīng)用越來(lái)越受青睞，光伏應(yīng)用作為一項(xiàng)新興技術(shù)正在高速發(fā)展。在基于光電流的系統(tǒng)中，電源逆變器控制著太陽(yáng)能板和電池，以及負(fù)載之間的電流，將太陽(yáng)能板輸出的變化幅度很大的直流電壓轉(zhuǎn)換成千凈的SOHZ或60Hz的正弦電流，輸出給負(fù)載或回饋到電網(wǎng)中去。整個(gè)系統(tǒng)如圖1所示，其中A為太陽(yáng)能電池板，B為逆變器控制和功率管理單元，c為功率開(kāi)關(guān)管和DC-DC轉(zhuǎn)換器。D是功率監(jiān)控。

1.概述

(1) 方案比較

目前光伏逆變器的設(shè)計(jì)方案中核心控制器分為兩類(lèi)，一類(lèi)是采用數(shù)字信號(hào)處理器做為主控制器，例如TI公司的TMS320C20D0，另外一類(lèi)則是采用單片機(jī)作為主控制器，例如Microchip公司的dsPIC30F2023單片機(jī)。由于單片機(jī)的外圍性能和處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如DSP處理器，所以逆變的性能自然會(huì)較差一些，例如控制精度較低，通信能力不強(qiáng)，交流相位偏移較大，諧波多等情況，影響輸出的交流電能質(zhì)量。

采用Actel公司的SmartFusion混合信號(hào)FPGA具有以下的一些優(yōu)勢(shì)：

·Actel FPGA可以提供比DSP更多的PWM控制通道，內(nèi)部集成高速的ARM處理器硬核，可以滿足逆變需要的所有控制和處理需求；

·基于Flash架構(gòu)，上電即行，低功耗，高穩(wěn)定性，發(fā)熱小，可以節(jié)省散熱成本；

·小封裝，集成板級(jí)功能，有效降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性：

·通信接口豐富，可以和多種外設(shè)進(jìn)行通信。

(2) 功能概述

由于SmartFusion是一塊帶有微處理器子系統(tǒng)的FPGA，所以有足夠的能力去應(yīng)對(duì)復(fù)雜的控制和數(shù)據(jù)處理。ARM處理器部分運(yùn)行速度為100MHz，指令處理能力為1.25DMIPS／MHz，F(xiàn)PGA單元速度可以達(dá)到350MHz，基于Flash架構(gòu)，支持多種加密技術(shù)和通信接口，性能卓越。

由于光伏應(yīng)用的推廣，光伏逆變器獲得巨大的發(fā)展，隨著行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)者的增多。于是設(shè)計(jì)上需要不斷的創(chuàng)新，例如為了防止逆變器被偷于是加入警報(bào)功能，或者采用外接一個(gè)低成本的器件用于對(duì)核心控制器加密。本文實(shí)現(xiàn)的逆變器的一些主要功能如下：

·電流、電壓監(jiān)控以及過(guò)載保護(hù)功能：

·支持電網(wǎng)檢測(cè)和自動(dòng)同步、溫度監(jiān)控和散熱控制以及超溫報(bào)警：

·具備電池備份功能；

·顯示控制功能，外接LCD／LED顯示設(shè)備；

·支持以太網(wǎng)接口、RS485接口和無(wú)線通信功能；

·多路增強(qiáng)型PWM控制：

·通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤，提高系統(tǒng)效率。

(3) 系統(tǒng)框圖

光伏逆變器的應(yīng)用中，SmartFusion主要完成了逆變器控制、功率管理和外部通信以及顯示控制等，整個(gè)方案的框圖如圖2所示。

2.各功能模塊介紹

逆變器的主要功能就是為了實(shí)現(xiàn)直流和交流的轉(zhuǎn)換，為了達(dá)到逆變的高效率、高可靠性要求，滿足系統(tǒng)控制靈活的特點(diǎn)，所以推出了本解決方案。在圖2中列出了主要的功能模塊用于逆變器的設(shè)計(jì)。

(1) PWM控制

單相逆變器的控制原理如圖3所示。在逆變器的電路中為了能夠?qū)崿F(xiàn)直流到交流的變換需要有PWM控制，例如在單相逆變時(shí)需要至少4路獨(dú)立的PWM輸出，用于控制逆變器的全橋電路使其輸出合適的鋸齒電流，然后通過(guò)濾波電感和變壓器，就可以讓其輸出和電網(wǎng)一致的電壓值。由于本設(shè)計(jì)中使用的SrnartFusion FPGA可以通過(guò)算法提供很多路的增強(qiáng)型PWlVi輸出，所以可以一次性控制多過(guò)全橋電路工作，使逆變器的效率和可靠性都得到提高。

(2) 電網(wǎng)和溫度傳感

為了設(shè)計(jì)出高效率和高質(zhì)量的逆變，那么就應(yīng)該讓逆變控制變成一個(gè)閉環(huán)控制。通過(guò)傳感器獲取當(dāng)前接人的電網(wǎng)中電信號(hào)波形，并控制逆變器使其輸出的交流電和電網(wǎng)上的電信號(hào)同步，這樣可以減小電諧波，不影響供電質(zhì)量。

由于SmartFusion集成了溫度監(jiān)控，能方便獲取設(shè)備溫度和并設(shè)置超溫報(bào)警。電子設(shè)備在使用過(guò)程中會(huì)有一定的發(fā)熱，所以散熱問(wèn)題必須考慮，SmartFusion可以完成風(fēng)扇的節(jié)能控制。

(3) 顯示接口

顯示接口部分主要是用來(lái)外接顯示設(shè)備，例如LCD或者LED。在設(shè)備的使用過(guò)程中為了能夠較好的對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置和狀態(tài)監(jiān)控那么就需要一個(gè)合適的顯示接口，這樣就可以為用戶提供顯示設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)信息和運(yùn)行參數(shù)，指導(dǎo)操作者完成設(shè)備的配置。

(4) 通信部分

SmartFusion集成了大量的通信接口，例如以太網(wǎng)接口，RS-485，KS-232C以及無(wú)線通信接口，可以方便的和控制中心建立通信連接。同時(shí)控制中心可以實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的工作狀態(tài)，獲取相關(guān)的設(shè)備數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)實(shí)際需要完成設(shè)備的遠(yuǎn)程集中管理，提高工作效率，降低使用成本。

(5) 數(shù)據(jù)記錄

數(shù)據(jù)記錄可以用來(lái)存儲(chǔ)和記錄傳感器獲取的多種數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)計(jì)算，評(píng)估系統(tǒng)的工作性能，輔助用戶進(jìn)行設(shè)備配置和系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整。

(6) MPPT和PFC

由于太陽(yáng)能板的輸出電壓是變化的，要保持發(fā)電時(shí)盡可能的高效率是非常復(fù)雜的，完成這項(xiàng)任務(wù)的關(guān)鍵是檢測(cè)最大功率點(diǎn)(MaximumPowerPoint，MPP)。MPP受天氣的影響非常大。MPPT算法可用來(lái)探測(cè)MPP，并調(diào)整Dc／Dc的輸出電壓轉(zhuǎn)換，以使輸出最大化。MPPT技術(shù)可以使太陽(yáng)能電池系統(tǒng)在冬天的整體效率提高1／3或更多，而這時(shí)也正是電力需求最高的時(shí)候。

3.市場(chǎng)應(yīng)用

化石燃料的不斷減少，全球氣侯的變化，面對(duì)能源緊張的問(wèn)題，再生能源的開(kāi)發(fā)和使用將成為一種必然。隨著太陽(yáng)能應(yīng)用的快速發(fā)展，光伏逆變器的使用將會(huì)越來(lái)越廣，市場(chǎng)越來(lái)越大。逆變器的效率、可靠性和穩(wěn)定性是衡量逆變器性能的主要指標(biāo)。SmartFusion的單芯片、低功耗、高可靠性、智能混合的特點(diǎn)使其能夠?yàn)楦咝阅苣孀兤髟O(shè)計(jì)和功率管理提供最佳的解決方案。

4.小結(jié)

本文主要介紹了基于SmartFusion的光伏逆變器控制和功率管理的方案。敬請(qǐng)關(guān)注周立功公司的網(wǎng)站www，zlgmcu，corn以獲得更多的信息。我們有著一個(gè)接近30人的FPGA團(tuán)隊(duì)提供強(qiáng)有力的售后服務(wù)和技術(shù)支持，解決用戶在產(chǎn)品使用和研發(fā)過(guò)程中遇到的困難。若有更多的需求可以與我們聯(lián)系，我們將會(huì)竭誠(chéng)為您服務(wù)，并請(qǐng)關(guān)注下期的FPGA專(zhuān)題技術(shù)講座。