《光伏并网发电模拟系统(软件)(共63页).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光伏并网发电模拟系统(软件)(共63页).doc（63页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、精选优质文档-倾情为你奉上光伏并网发电模拟系统（软件部分）学 生： 傅 磊 学 号： 指导老师： 谢雷 讲师 专 业： 通信工程 完成年月： 2010年6月 目录专心-专注-专业摘要太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，已成为最有潜力的电力能源之一。而光伏发电作为一种将太阳能转换为电能的新兴技术，有着非常广泛的发展前景。 本文阐述了一套光伏并网发电模拟系统的设计原理和调试过程。该系统以新华龙C8051F120单片机和LatticeXP2- 5E-5TN144C型FPGA为控制核心，采用正弦脉宽调制技术，以全桥DC-AC逆变电路为功率变换主回路，同时具有最大功率点跟踪、频率跟踪和相位跟踪
2、功能。该系统采用数字式闭环反馈控制，保证输出信号与参考信号之间同频同相。DC-AC逆变器功率变换部分效率达到85.9%，具有输入欠压保护、输出过流保护以及故障后的自动恢复功能。此外，通过液晶显示还可对电路中各电参数进行检测和显示，较好的达到了课题的各项指标。文章着重于软件部分，对其进行了详尽的介绍和分析。关键词：光伏并网发电系统，单片机，FPGA，正弦脉宽调制，最大功率点跟踪ABSTRACTSolar energy, as an inexhaustible renewable energy, has become the most promising power energy sources.
3、 And the photovoltaic (PV) is an emerging technology to convert solar energy into electrical energy, which has a very broad prospects for development.This paper describes the design principles and the debugging process of a grid-connected PV simulation system. The system control core is formed by a
4、MCU of Silicon C8051F120 and a FPGA with the type of LatticeXP2 -5E-5TN144C. The main technologies include the control for sinusoidal pulse width modulation (SPWM), the full-bridge DC-AC inverter for the main power transform circuit, the maximum power point tracking (MPPT) and the function of freque
5、ncy tracking and phase tracking. The system uses digital closed-loop feedback control to ensure the output signal and the reference signal in phase with frequency. The DC-AC inverter efficiency reached to 85.9%. It has many functions, such as input low-voltage protection, output over-current protect
6、ion and automatic fault recovery. In addition, the electrical parameters on the circuit can be detected and displayed through the liquid crystal. The system meets the requirements absolutely of the target.The paper focuses on the software part and it carried out a detailed description and analysis.K
7、ey words: grid-connected PV system, MCU, FPGA, SPWM, MPPT第一章 绪论1.1 课题背景随着工业化发展的不断进步，世界性的环境污染和传统能源短缺问题已变得越来越不容忽视，这迫使人们更加努力的寻找和开发新能源。现在得到广泛使用的新能源包括风能，潮汐能，地热能，太阳能等，而光伏发电就是利用太阳能来产生电能的一种技术。光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、不受地域限制、建设周期短等优点。21世纪以来，光伏发电产业迅猛发展，最近10年来，世界光伏产业平均每年增长42.3%， 2008年世界太阳电池的产量约为6850 MWp，在硅材料严重短缺的情况下
8、，比2007年仍增长了71.25%，这一数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。1.2 并网发电的现状与发展趋势自20世纪50年代，随着对可再生能源开发和利用的兴起，世界范围内的再生能源利用技术已经走过了半个世纪的历史，特别是上世纪70年代，爆发的世界性的石油危机有力的促进可再生能源的开发利用。作为最主要的可再生能源之一，太阳能的利用技术在这几十年间也得到了迅猛的发展，尤其到20世纪90年代后，光伏发电技术逐渐成熟，到2006年，世界上已经建成了10多座兆瓦级光伏发电系统，6个兆瓦级的联网光伏电站。当前国际上对光伏发电的研究主要有两个方向：一个是光伏电池的研究，通过
9、研究不同材料电池板的发电效率，力求找到一种价格低、转换效率高的太阳能电池板材料；另一个研究热点主要集中在低成本、高效率、高稳定性的光伏逆变系统方面。在世界各国的优惠政策的推动下，并网光伏发电已经成为光伏发电领域研究和发展的最新亮点。但是就国内而言，光伏并网发电的关键技术和设备还主要依靠进口，自主研发的技术更是刚刚起步，并网型光伏系统的造价高，依赖性强，很大程度上制约了并网型光伏发电的普及。而且，目前系统在国内的发展和推广主要采用单位功率因数并网，不具备电能质量控制功能。因此，研究既稳定、又高效的光伏并网系统有重要意义，其研究主要放在并网逆变器的控制方法上，相同的拓扑电路，采用不同的控制方法能够
10、产生不同的控制效果。随着对这些技术的研究不断深入，国内的光伏并网发电正不断走向成熟，相信在不远的将来，我国也将成为在光伏发电方面的技术强国。1.3 光伏并网发电系统简介光伏并网发电系统是将太阳能电池发出的直流电转化为与电网电压同频同相的交流电，并且实现既向负载供电，又向电网发电的系统。光伏并网发电系统主要由光伏阵列、并网逆变器、控制器和继电保护装置组成。并网逆变器是整个光伏并网发电系统的核心，它将光伏阵列产生的电能逆变成与电网同频同相的正弦波电流。电压型逆变器主要由电力电子开关器件组成，以脉宽调制的形式向电网提供电能。光伏并网发电系统按照系统的设计要求不同可以分为两种:一种是不可调度式光伏并网
11、发电系统，这种系统不含储能环节;另一种是可调度式光伏并网发电系统，这种系统含有储能环节。在不可调度式光伏并网发电系统中，并网逆变器将光伏阵列产生的直流电直接转化为和电网电压同频同相的交流电，完全由日照和环境温度等因素来决定并网的时间和并网的功率大小。它的优点是系统可以省去蓄电池而将电网作为自己的储能单元。当日照强烈时，光伏并网发电系统将发出的多余电能回馈电网，当需要电能时可以由电网输出电能。可调度式光伏并网发电系统增加了储能环节，系统首先对储能环节进行充电，然后根据需要将光伏并网发电系统用作并网或者经逆变后独立使用，系统的工作时间和并网功率的大小可人为设定。当电网发生断电或者其它故障时，逆变器
12、自动切除和电网的电气连接，同时可以根据需要选择是否进行独立逆变，用于对本地负载继续供电。本文介绍的是不可调式的光伏并网发电系统。1.4 本课题的主要研究内容本文介绍了一套模拟的光伏并网发电设备的原理、结构、控制方法和调试过程，其中，着重对控制模块的软件设计思路以及设备调试过程作了详尽的介绍和分析。第1章绪论，简要介绍了光伏并网发电的现状，通过对光伏并网发电系统的介绍，对光伏并网发电系统有了初步认识。第2章，对所设计的光伏并网模拟发电设备的设计方案进行分析，并对所完成设备的各个硬件模块作了简要介绍。第3章，是本文的核心内容。对整个系统控制模块作了详尽的介绍，对系统各功能的实现原理进行了深入的分析
13、。第4章，对系统在制作和调试过程作了简单的介绍，并着重分析了调试过程中碰到的几个较为突出的问题，最后记录和分析了系统最终的测试结果。第5章总结与展望，对全文做出总结，指出系统需要进一步改进的地方。1.5 本课题设计的基本要求本课题所要求设计的光伏并网发电模拟系统结构框图如图1-1所示。直流稳压电源US和电阻RS模拟太阳能电池，其中US额定为60 V；UREF为模拟电网电压的正弦参考信号，由信号发生器提供，其峰峰值为2 V，频率fREF为45 Hz55 Hz可调；变压器T为三级隔离变压器，提供反馈信号用来实现同频同相等功能；负载RL为30 ，用来模拟电网。图1-1 并网发电模拟系统基本结构系统要
14、求达到指标如下：1）具有MPPT功能：当负载和电池内阻在额定范围内变化时，实现MPPT，相对偏差的绝对值不大于1%；2）具有频率跟踪功能：当参考信号频率在4555 Hz范围内变化时，输出信号频率与参考信号保持一致，相对偏差绝对值不大于1%；3）具有相位跟踪功能：当负载在给定范围内变化以及加非阻性负载时，输出信号相位与参考信号保持一致，相对偏差绝对值2；4）在正常工作状态下，DC-AC变换器的效率80%；5）具有输入欠压保护功能，模拟电池动作电压为(250.5) V；6）具有输出过流保护功能，动作电流为(1.250.2) A；7）装置自动恢复过流、欠压故障排除后,装置能自动恢复为正常状态。第二章
15、 光伏并网发电系统的设计2.1 设计方案分析与选择依据章节1.5中所述，系统对DC-AC控制的要求较为全面，不仅要实现高效率的逆变功能，同时在相位、频率和保护策略上有较高要求，而设计方案的选择则决定了达到这些要求的可能性。本节将对系统核心功能模块的方案进行分析。2.1.1 系统控制模块的选择方案一：用硬件电路产生SPWM信号并进行相关控制。虽然用硬件电路作控制模块的比较稳定，但由于其电路复杂、灵活性差、调试困难等缺点，因此一般很少采用。方案二：采用单片机的单核心方案对系统进行控制。这样的控制模块电路比较简单，功耗低，但课题较为复杂的设计要求使得单片机的单线程进行模式显得有些力不从心。方案三：同
16、时采用MCU和FPGA的双核方案作为系统控制模块。虽然使用双核的搭配会使系统成本提高，功耗变大。但是FPGA的并行工作特性和比MCU高得多的运算速度可以大大提升系统的响应速度和SPWM波形的分辨率，同时也减少了单片机的工作负担，使得单片机能有充裕的资源来提高AD采样的精度和速度。综合考虑各方案的利弊，最终决定使用方案三，以新华龙C8051F120型单片机与LatticeXP2-5E型FPGA来构建系统控制模块2.1.2 系统整体框架设计在确定控制模块的基础之上，再以全桥DC-AC逆变电路做功率主回路，结合交直流采样及反馈电路，构建系统基本框架如图2-1所示。系统共设计6组采样信号，以实现对输出
17、信号的功率、相位、频率的控制，键盘与显示作为控制子模块，用于人机互动，方便系统的调试和监控。图中各组信号的功能介绍将在章节3.1.3作详细介绍。控制模块 图2-1 系统基本框图2.2 系统硬件电路原理确定了系统设计方案和基本框图之后，就能对系统的各个组成模块进行设计，该小节将对系统的硬件部分各个模块进行介绍。2.2.1 控制模块本系统的控制模块由C8051F120型单片机、LatticeXP2-5E型FPGA以及液晶屏和键盘组成。单片机和FPGA提供对SPWM信号的控制，实现各项课题所要求的功能，12 V直流电源通过降压电路提供模块3.3 V的供电。单片机与FPGA之间设计有4组8位P口进行通
18、信。键盘和液晶屏提供人机交互功能。1）新华龙C8051F120单片机简介（图2-2为单片机最小系统结构图）C8051F120是完全集成的混合信号片上系统型MCU 芯片，具有64 个数字I/O 引脚（100 脚TQFP 封装）下面列出了一些主要特性：高速、流水线结构的8051 兼容的CIP-51 内核（100 MIPS）；真正12 位、100 ksps 的ADC，带PGA 和8 通道模拟多路开关；两个12 位DAC，具有可编程数据更新方式；5 个通用的16 位定时器。图2-2 C8051F120单片机最小系统2）LatticeXP2- 5E-5TN144C型FPGA简介（图2-3为FPGA外围电
19、路图）莱迪思半导体公司的第三代非易失FPGA器件。LatticeXP2具有增强的性能，双倍增加的逻辑容量达40K查找表（LUT），设计使用了业界最先进的非易失FPGA工艺，莱迪思与代工伙伴富士通合作开发了90纳米嵌入式闪存工艺，还增强了设计安全性、RAM备份，以及现场更新能力。5E型LatticeXP2的I/O引脚数为144，灵活的I/O缓冲器支持的I/O标准包括LVCMOS,SSTL,HSTL和LVDS。同时还含有PLL等功能。 对这款FPGA使用ispLEVER软件进行硬件语言编程。图2-3 FPGA外围电路3）人机交互模块介绍人机交互模块有键盘和液晶显示组成，键盘实现对系统参数的设置，液
20、晶屏则能时时显示系统状态。键盘：采用44设计，通过单片机8位P1口控制，如图2-4 所示。图2-4 键盘电路图显示：本系统使用北京迪文科技有限公司开发的迪文HMI（串口智能显示终端）DMT32240T035_01WN型液晶显示屏。参数：3.5英寸TFT背光屏，320240的分辨率，65K彩色显示，12V、200mA供电，嵌入有M600人机界面（HMI）驱动模组，对于开发和应用都十分方便，单片机与液晶屏通信采用串口方式，波特率为。2.2.2 逆变电路DC-AC全桥逆变电路的主要工作原理是依靠驱动芯片HIP4082控制四只开关管IRF640的通、断状态配合，四只开关管都工作在斩波状态，两两为一组，
21、状态互补。利用冲量等效原理，采用正弦脉宽调制（SPWM）策略将输入的直流电压变换成正弦波电压输出。SPWM的调制原理是通过对每个周期内输出的脉冲个数和每个脉冲宽度来调节逆变电路输出电压的频率和幅值。图2-5 全桥逆变主回路如图2-5所示为逆变主回路电路，当ALI为逻辑低电平，BLI为逻辑高电平时，ALO、BHO输出低电平,AHO、BLO输出高电平，即Q2、Q3导通；当ALI为逻辑高电平，BLI为逻辑低电平时，ALO、BHO输出高电平,AHO、BLO输出低电平，即Q1、Q4导通。由FPGA产生一组同频反相的两个PWM信号，通过光耦分别输入到ALI、BLI管脚，当Q2、Q3导通时，Q1、Q4截止，
22、反之，Q2、Q3截止时，Q1、Q4导通。Q1、Q4和 Q2、Q3如此交替导通，实现逆变功能。2.2.3 滤波器 图2-6二阶巴特沃思滤波器在全桥逆变驱动电路中，输出滤波器也是一个关键部件，它将SPWM信号转换成交流信号。由于该滤波器工作在大电流环境中，设计时必须考虑频率响应特性和功率损耗特性，应选用合适的铁芯材料和绕组结构。所以系统使用了二阶巴特沃思滤波器(如图2-6所示)。 图2-7 过零整流电路2.2.4 反馈采样电路1）过零整流电路整流电路主要运用在参考信号频率和反馈信号的相位采样，采用同相输入迟滞比较电路，加上1%的回差对正弦信号进行过零整流，生成3.3 V的方波反馈到FPGA，以实现
23、调频和调相的功能。图2-7为电路设计图。2）电流反馈及过流保护电路系统的电流输出采样反馈及过流保护电路如图2-8所示。其中电流互感器U1与运放U1A构成交流电流采样电路，TA1015电流互感器初、次级匝数比为1000:1，即I1 : I2 = 1000 : 1。当电流流过互感器初级时，次级感应的电流通过运放将电流放大，同时转化为电压值，U1A输出端电压值与互感器初级电流值在数值上相等。交流电流信号经前级采样、转化后生成交流电压信号，一方面作为U2A的输入，通过该迟滞比较电路处理，生成方波信号；另一方面通过U3A构成的设计跟随器后，经过简单地RC平滑滤波，将平滑后的信号反馈给单片机A/D端。 图
24、2-8 电流反馈及过流保护电路3)直流电压采样电路图2-9(a) Us采样电路图2-9(b) Ud采样电路图2-9(a)与图2-9(b)分别为Us 采样电路和Ud 采样电路。两个电路分别采用一组1 M、1.5 K电阻和一组1 M、3 K电阻对对Us和Ud进行分压，并通过放大电路反馈到单片机的AD。通过将电源电压按一定比例缩小到AD所能采样的电压范围（02.4 V），实现对Us和Ud的采样。第三章 系统软件设计3.1 软件总框架整个系统的软件设计建立在控制模块的基础之上，分为单片机C语言程序设计与FPGA硬件语言程序设计两部分，实现的主要功能有：SPWM信号产生；MPPT最大功率点跟踪功能；频率
25、跟踪；相位跟踪；欠压保护；过流保护；键盘、显示控制等。图3-1 系统控制总框图功能由FPGA独立实现，功能由单片机独立实习，其余五种功能都是以MCU控制FPGA的功能模块的方式来实现的。本章将围绕各项功能的软件实现，逐步分析MCU与FPGA各模块的设计方法和编程思想。3.1.1 系统控制总流程通过状态机的编程思想，在正常启动后，系统的工作被分为了3个主要状态，依次为正常工作状态（状态0）、过流保护状态（状态1）、欠压保护状态（状态2）。系统总框图见图3-1。在正常运行过程中，系统将会对电源反馈信号，输出电流反馈信号进行时时监控，即通过软件中断方式，以保证系统能够在最短时间内进入保护状态。当输出
26、电流反馈信号超过额定值1.25A时，系统将会立即从状态0跳转至状态1。处于状态1中时，系统保持恒流输出状态。当系统检测到电池输出功率低于一定值时，系统自动回复到状态0。正常工作中系统检测到电池输出电压过低时，系统将关闭SPWM波，系统进入欠压保护状态（状态2）。当电池电压回复后，系统也回复状态0。各状态详细功能见表3-1。表3-1 系统工作状态功能表正常工作状态过流保护状态欠压保护状态状态编号012SPWM输出有有无手动控制SPWM输出有有无MPPT功能有无无恒流输出无有无频率跟踪有有无相位跟踪有有无液晶显示有有有液晶屏节能功能有有有键盘支持有有有 图3-2 单片机初始化流程图3.1.2 系统
27、初始化流程单片机初始化如图3-2所示，其流程介绍如下:特色功能寄存器包括时钟、串口、AD等功能状态设置寄存器。开中断，即打开本系统中主要用到的外部INT0中断，定时器T0中断，ADC0中断以及串口UART0中断。中断打开后就对各组新开开始采样。液晶显示初始化，即通过串口与液晶发送握手信号后，显示各测量参数。液晶屏启动较慢，所以需要在对单片机增进一段等待延迟。在FPGA被单片机驱动后，单片机还必须监控系统中参考信号和电源是否处于正常状态，当它们都处于正常状态的时候才打开SPWM信号进入正常工作。图3-3 FPGA启动模块在电源上电后，FPGA初始化时间可以基本忽略，而单片机启动较为耗时，这将导致
28、在单片机初始化阶段，FPGA处于失控状态，SPWM输出不受控制的话很可能导致硬件损坏，所以必须制定一个系统启动方案以防止系统失控。图3-3为FPGA中例化的启动模块，单片机发送脉冲经P4.0口输入到启动模块的计数器，当计数器计到5之后，模块的输出端P4_0st与单片机P4.0口导通，未驱动前P4_0st输出低电平。3.1.2 控制模块信号流介绍图3-4 控制模块信号流示意图本系统控制模块由于是建立在双核心的基础之上，为了能够充分发挥出MCU较强的运算能力和FPGA较快的运行速度的不同优势，不同类型和用途的信号被分配到不同的芯片进行预处理，部分控制策略的实现则通过两个芯片联合实现，芯片间共使用了
29、4组P口进行通信。图3-4为控制模块所有输入、输出信号示意图，以下将对这些信号做简单介绍：1）控制模块接收处理的信号（其中反馈到FPGA处理，其余由MCU处理）参考电平信号Uref：信号发生器的参考信号uref经过零整流后产生的方波信号，输入到FPGA，幅度范围为03.3 V，用于模拟电网参考信号。反馈电平信号UF1：经隔离变压器取样反馈信号UF，经过零整流后的方波信号，反馈到FPGA，幅度范围为03.3 V，用于实现调相功能；反馈电压信号UF2：反馈信号UF经放大电路，直接反馈到单片机进行AD采样，用于测量输出电压。电流采样信号UIF：输出电流IO经互感取样，再经整流滤波后转换为电平信号，反
30、馈到单片机进行AD采样，用于测量输出电流。电压信号Ud 、US：模拟电源的源电压与输出电压采样信号，经过正向放大电路反馈到单片机进行AD采样，用于检测模拟电源的状态。过流保护中断信号：电流互感后的IO采样经过采样电阻转换成电平信号再输入比较器，与单片机DA产生的过流门限电平比较后输出的负脉冲信号，用于激发单片机的外部中断INT0，使系统能第一时间进入过流保护状态。2）控制模块输出的信号/接口（其中由FPGA输出，其余由MCU处理）两路反向SPWM信号：整个控制模块最核心的信号，所有的DC-AC控制都由这组信号来实现，该组信号经光耦隔离后输送到全桥芯片HIP4082。详细的SPWM信号介绍参阅
31、章节3.2 SPWM信号。44键盘接口（8位）：该接口连接单片机与键盘，实现对系统参数的设置与调整。液晶屏接口：由单片机P0.0与P0.1提供的Uart口用于实现对液晶显示的控制。过流门限参考电平：由单片机内部DAC提供的参考电平，用于实现过流保护功能，该信号输送到比较器与输出电流采样信号进行比较，当输出电流采样大于门限时，比较器反向脉冲反馈单片机打开过流保护。3）MCU与FPGA之间的通信数据（由MCU到FPGA，其余由FPGA到单片机）SPWM开关信号（1位,端口使用P4.0）：由于模拟信号都由单片机的内部AD采样并由单片机进行处理，当系统异常需要关闭SPWM信号时，也由单片机预先作出判断
32、，该信号就用于启动/关闭FPGA的SPWM信号输出。MPPT控幅信号（10位，端口使用P5.0P5.7、P4.6、P4.7。）：单片机接收到电源采样电压后，进行MPPT运算以提供SPWM信号输出的时时占空比系数， 系数范围从01023，系数值与系统输出成正比。相位调整信号（8位，端口使用P7.0P7.7）：为了实现系统输出与信号发生器提供的正弦信号保持同相位，单片机将根据FPGA反馈的相位差进行PI运算以提供输出信号的时时相位系数，相位系数范围0240，调节精度为1.5。数据流控制信号（4位，端口使用P4.1P4.4）：前3位数据控制信号控制FPGA反馈的信号类型（详见表3-2）。最后一个控制
33、口P4.4是FPGA相位差寄存器的锁存信号，当该口处于高电平时FPGA将相位差锁存在寄存器中，当该口处于低电平时，FPGA进入相位差的计算状态。表3-2 MCU对FPGA的控制口功能表P4.1电平P4.2电平P4.3电平P6口工作状态01发送频率高8位00发送频率低8位10发送相位差高8位11发送相位差高8位相位差、频率量化信号（时分复用，8位，端口使用P6.0P6.7）：该组信号由FPGA接收的反馈信号UF2与参考信号Uref通过FPGA预处理产生的，由单片机的数据流控制信号实现时分复用，分别传送给单片机信号频率高8位、低8位和参考与反馈信号之间的相位差高8位、低8位。3.2 SPWM信号控
34、制模块通过FPGA产生两组反向的SPWM信号，实现DC-AC逆变功能和相关控制功能，图3-5为FPGA硬件语言设计中顶层文件结构图。1图3-5 FPGA顶层文件效果图3.2.1 SPWM信号功能介绍所谓SPWM信号就是与正弦波形等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形（如图3-6所示），等效的原则是每一区间的面积相等。如图把正弦波分成几个等分，然后把每等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合，这样由几个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波等效，称作SPWM波形。图3-6 SPWM波形示意图3.2.2 基于
35、FPGA的SPWM信号的优势与传统控制模拟电路相比，本课题采用FPGA作为逆变器的控制系统来输出SPWM信号具有以下优势：(1)控制器易修改、可现场编程。(2)控制器通用性强，性能稳定。(3)逆变器结构紧凑、可靠，研制周期短。与MCU产生SPWM相比也有控制精度高、响应速度快等优势。3.2.3 基于DDS的基础SPWM波形产生原理不同于模拟电路中用三角波与正弦信号通过比较器后输出SPWM的传统方式，在本系统中采用DDS技术，即在FPGA内部例化一个存有所需正弦波的满周期幅度值的ROM，再配合地址累加器，实现SPWM数字波形的采样输出。在额定50 Hz参考信号输入下，本课题设定的SPWM斩波频率
36、为50720=36 KHz，将一周期正弦信号（数字化后的幅度范围01899）按720等分后对其幅度进行采样，并将采样值转换成16进制后建表做成FPGA的内部例化ROM的数据，共占有72011 byte的数据量。采样值在Excel制表的公式为：V采样=SIN(2*n/720)*949.5+949.5/其中n为行数V16进制=DEC2HEX(V采样)/10进制转16进制函数 图3-7 基于DDS的SPWM产生原理产生SPWM信号的计数器采用了72MHz时钟（20 MHz外部晶振通过FPGA内部PLL3.6倍频后获得），将SPWM每个斩波分成2000等分（2000为50 Hz信号时的斩波频率系数，随
37、输入信号的频率改变而发生改变），使得其的分辨率达到72 MHz，但由于受到逆变电路中的驱动芯片的响应速度的限制，此处将SPWM每个斩波的占空比控制在了2.5%97.5%之间，即将波形数据储存器中波形数值调整到501949再进行输出。基于DDS原理的SPWM波形产生见图3-7。图3-8(a) 输出信号DDS调幅模块图3-8(a)是由FPGA例化的SPWM信号DDS调幅模块，图3-8(b)是其子模块，其中clk为72 MHz时钟。P5_P45_P469:0是单片机PI调节后反馈的幅度系数。add9:0是内部rom的地址线，与SPWM产生模块的add_out9:0构成闭环。data_out10:0是
38、PI调节后的幅度系数，传输到SPWM产生模块。模块ROM720_2000为例化的内部ROM。图3-8(b) 调幅子模块3.2.4 完整SPWM波形的产生上一小节介绍的基础SPWM波形的产生是建立在DDS的基础之上的，这样的输出波形已经能够实现逆变系统的最基本功能DC-AC的逆变，但是为了实现系统其他功能，就必须在最基础的SPWM上进一步进行控制。1）本系统SPWM波形的设计要求首先来看一下在基础的SPWM上我们还需要进行哪些操作，见表3-3，只要在FPGA部分的设计中，将SPWM输出设计成频率、相位、幅度可调，并且软件开关，即可满足整个系统的控制要求。表3-3 基于本系统的SPWM的控制要求频
39、率相位幅度波形输出开关基础SPWM参数50Hz不可控满幅度电源控制系统要求达到的参数4555 Hz可控可控零至满幅度可调单片机控制2）SPWM的控制参数说明为了实现频率、相位、幅度的线性可调，就必须将这些调节信号转换成SPWM波形发生器所能处理的数据类型，如图3-9所示，其中六处由平行四边形表示的信号都是有系统处理后产生的数字信号数据类型，其中50Hz基准斩波频率系数：由72 MHz的时钟提供计数，计数一周期为36KHz，即一个基准斩波频率，大小为2000。参考信号频率修正系数：当前参考信号频率与50Hz基础频率比例系数，例如当参考信号为55 Hz时，该系数值就为55/50=1.1。该修正系数
40、范围0.951.1。图3-9 SPWM波形产生框图输出信号幅度修正系数：输出信号幅度与满波形输出时幅度的比例系数，即SPWM输出占空比与波形数据存储器中的数据的比例系数大小，例如当满SPWM输出时，输出信号VP-P为80 V，那么需要输出VP-P=40 V波形时该系数为40/80=0.5。该修正系数范围01。相位修正值：是下一周期输出比前一周期输出信号相位的调整量，最小精度为0.5 ，这是由系统中的波形数据表的数据量所决定的，即一周期SPWM信号被分为720等分，每等分为0.5 。该修正值范围为-179.5 180 。相位同步信号：每周期的参考信号都会在0相位点产生一个同步脉冲，该脉冲复位波形
41、数据锁存器的地址线。开关系数：开关系数为0或1，为0时两路SPWM都为低电平，DC-AC逆变器关闭，为1时，正常输出。3）本系统SPWM设计参数的分析从图3-7中可以看出频率的精确控制是通过相位同步信号来实现的，因为相位同步信号的一个脉冲就会使得波形数据地址线复位一次，也就是SPWM进入一个新的周期，这保证了输出信号与参考信号同频率。同时，为了使得在每次复位时SPWM都能输出720位的斩波，还必须改变每个斩波的频率，即改变斩波系数。新斩波频率=参考信号频率*720；新斩波系数=2000*参考信号频率系数。相位控制则是由相位修正值决定的，每次波表复位时的复位点等于上一复位点加上修正值，而输出信号
42、与参考信号的相位差修正角度等于波表复位地址*0.5。幅度控制较为复杂，除了本身幅度修正系数外，还有为了保证在不同频率下，输出波形的幅度不变，就必须保证SPWM各斩波的占空比不变，其中占空比=波形数据/斩波系数。也就是说在斩波系数与ROM中的波形数据要成正比例变化。下式为最终输出SPWM占空比计算公式：SPWM占空比=幅度修正系数*频率修正系数*ROM中的波形数据/新斩波系数。SPWM输出的开关信号由单片机提供，由于HIP4082芯片为全桥驱动芯片，当两路SPWM信号都为低电平或者高电平时，芯片输出为0，故在输出端通过与门来实现SPWM的开关。4）SPWM信号产生模块介绍图3-10 SPWM产生
43、与输出模块图3-10中，clk为72 MHz时钟。suopin15:0为参考信号频率修正系数输入端，由频率计数器模块提供。data_in10:0是输出信号幅度修正系数输入端，由幅度调整模块提供。sx15:0为相差计数值，由相位差计数模块提供。P77:0为相位修正值，由单片机提供。输入端suoxiang为相位同步信号输入端，由上升沿转单脉冲模块提供。P4_0为开关系数，单片机提供。add9:0 _out是内部rom的地址反馈信号，与幅度调节模块的add 9:0构成闭环。pwm与pwm2为两路反向的SPWM信号输出。3.3 MPPT功能根据设计要求，控制模块采用了MPPT算法，以提高系统正常工作时
44、逆变器的转换效率。该算法由单片机的C语言编程实现，并通过对FPGA的产生的SPWM信号的控制实现系统的输出功率控制。 3.3.1 MPPT功能简介MPPT的全称是“最大功率点跟踪”（Maximum Power Point Tracking），是太阳能充放电控制器的一项输出功率调控技术。所谓最大功率点跟踪，即是指控制器能够实时侦测太阳能电池板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最高的效率输出。为了简化系统，本次课题中使用的是模拟的太阳能电池，并且追踪的不是最高电压电流值，而是追踪的电池US的半电压值，当Ud=US/2时，电源输出功率最大。为了实现MPPT，在本课题中使用单片机对反馈
45、的Ud、US信号进行PID调节，使得Ud始终在US/2点处动态平衡。3.3.2 PID调节技术简介1）PID调节技术的原理在控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。PID控制原理见图3-11。图3-11 PID控制系统原理由于本系统对控制的精度和稳定性要求不是很高，故只使用了PI调节方式，该方式已足够实现本系统的设计要求，以下是本系统PI调节的公式：其中： e(t)PWM的原定值 Kp控制器的比例系数 Ki控制器的积分时间，也称积分系数 UsetUd的原定值 UnowUd的输出值2）PID调节技术的参数设定在偏差比较大时，为使尽快消除偏差，提高响应速度，同时为了避免系统响应出现超调，K
46、p取大值，Ki取零；在偏差比较小时，为继续减小偏差，并防止超调过大、产生振荡、稳定性变坏，Kp值要减小，Ki取小值；在偏差很小时，为消除静差，克服超调，使系统尽快稳定，Kp值继续减小，Ki值不变或稍取大。当偏差与偏差变化率同号时，被控量是朝偏离既定值方向变化。因此，当被控量接近定值时，反号的比列作用阻碍积分作用，避免积分超调及随之而来的振荡，有利于控制；而当被控量远未接近各定值并向定值变化时，则由于这两项反向，将会减慢控制过程。在偏差比较大时，偏差变化率与偏差异号时，Kp值取零或负值，以加快控制的动态过程。偏差变化率的大小表明偏差变化的速率，e(t)越大，Kp取值越小，Ki取值越大，反之亦然。同时，要结合偏差大小来考虑。微分作用可改善系统的动态特性，阻止偏差的变化，有助于减小超调量，消除振荡，缩短调节时间ts，Kp允许加大，使系统稳态误差减小，提高控制精度，达到满意的控制效果。所以，在比较大时，Kd取零，实际为PI控制；在比较小时，Kd取一正值，实行PID控制。3.3.3 MPPT程序设计在了解了PID原理的基础上，M