太阳能并网逆变器的方案设计，有完整硬件模块以及算法

　　要实现把太阳能电池上的低直流电能能够并网供电，就需要一种逆变装置，这种逆变装置要求能够把低的直流电变换成与电网电压幅度、频率、相位均相同的正弦交流电，才能保证可靠的并网供电。而实现逆变的主要部分就是逆变控制器。本方案拟采用单片FPGA来实现太阳能并网逆变控制器的功能，其实现整体框图如图1所示。

　　首先数据采集芯片在FPGA的控制下采集的市电电压与逆变器输出电压进行锁相，保证了逆变器输出电压与市电电压保持相位一致，用锁相环输出的正弦信号作为电压电流双环控制的基准信号。电压电流控制环在基准信号、滤波电感电流、输出电压的反馈信号的控制下通过PI调节等控制策略产生用于SPWM的调制波，该调制波与三角波通过SPWM产生模块即可产生SPWM波作为全桥逆变开关管的开关控制信号。

　　芯片中还有用于DC-DC的PWM控制信号，通过采集DC-DC输出电压值来实时调节PWM脉冲宽度，保证DC-DC输出的高直流电压的稳定。输入欠压输出过流保护模块保证在光伏电池输出电压过低时、输出过流时及时关断SPWM和PWM信号，保证设备的安全。

　　1.电压电流双环控制

　　电压外环电流内环的双环控制方案是高性能逆变电源的发展方向之一，双环控制方案的电流内环扩大逆变器控制系统的带宽，使得逆变器动态响应加快，非线性负载适应能力加强，输出电压的谐波含量减小。本设计拟采用以滤波电感电流为内环被控量的电感电流内环电压外环双闭环控制。

　　电感电流内环电压外环控制方式的控制原理框图如图2所示，电压给定信号与输出电压反馈信号比较得到电压误差，经过PI电压调节器产生电感电流给定信号，再与电感电流反馈信号比较而得的电流误差信号经过PI电流调节器形成控制量，对逆变器实施控制。

　　在这个双环控制方案中，电流内环采用PI调节器，电流调节器的比例环节用来增加逆变器的阻尼系数，使整个系统工作稳定，并且保证有很强的鲁棒性;电流调节器的积分环节用来使电流环稳态误差小。电压外环也采用PI调节器，电压调节器的作用是使得输出电压波形瞬时跟踪给定值。这种电流内环电压外环双环控制的动态响应速度十分快，并且静态误差较小。其FPGA内部的硬件实现原理如图3所示。

　　图3中PI控制器输出信号m(t)与输入信号e(t)的关系为：

　　则PI算法的S域的传递函数为：

　　其中， 、 分别为比例和积分环节系数，当采样周期很短时，映射到Z域有：

　　将

按泰勒级数展开，有：

　　若取泰勒级数展开式的前两项，则PI算法的Z域传递函数为：

　　显然，在离散系统中，积分表示累加求和，这样我们就不难构造工程上的硬件PI算法了。图4是硬件PI算法结构的运算流程。

　　图5所示为电压外环电感电流内环双闭环控制逆变系统输出负载突变时的电压电流SIMULINK仿真结果，从上到下依次为突加负载、突卸负载、负载不变的仿真结果。从仿真结果中可以看出，在负载变化后，系统能较快进入稳定状态，并且在负载变化的前后，输出的电压值基本不变。这说明电压外环电感电流内环双闭环控制逆变系统不仅具有较好的动态性能，也具有较好的稳态性能。

　　2.SPWM波形产生

　　SPWM波产生原理如图6所示，正弦基准信号与三角载波进行比较，当正弦波大于三角波时，一路SPWM为正;当正弦波小于三角波时，一路SPWM为负。实际中的与三角波进行调制的并不是直接的正弦基准信号，而是正弦基准信号通过电压电流双闭环后产生的调制波U0与三角波进行比较调制的，这样才能保证对逆变输出电压的实时控制。AH、AL即为调制波与三角载波比较而来。

　　其三角载波可利用10位有符号可逆计数器来实现的，利用其循环加减来产生数字化三角载波，即从-512计数到511，再从511返回到-512。加减计数器每进行计数所需要的时间即为数字化三角载波周期的一半。因此，计数时钟周期TO、数字化三角载波峰峰值P以及三角载波周期TC三者之间的关系为：TC=2TOP。

　　由于开关管固有开关时间ts的影响，开通时间ton往往小于关断时间toff，因此容易发生同臂两开关管同时导通的短路故障。为避免这种故障的发生，通常要设置开关死区△t，以保证同桥臂上的一只开关管可靠关断后，另一只开关管才能开通。本文中的死区设置原理如图7所示，首先将调制波 加和减一个常数 分别得到 和 ，然后通过三角波与 比较得到AH，三角波与 比较得到AL，这样就会得到一个死区，并且死区时间可通过常数 来调节， 越大，死区时间越长，反之越短。