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在光伏應用中的逆變控制和功率管理方案。隨著社會的發展，可再生能源的應用越來越受青睞，光伏應用作為一項新興技術正在高速發展。在基于光電流的系統中，電源逆變器控制著太陽能板和電池，以及負載之間的電流，將太陽能板輸出的變化幅度很大的直流電壓轉換成千凈的SOHZ或60Hz的正弦電流，輸出給負載或回饋到電網中去。整個系統如圖1所示，其中A為太陽能電池板，B為逆變器控制和功率管理單元，c為功率開關管和DC-DC轉換器。D是功率監控。

1.概述

(1) 方案比較

目前光伏逆變器的設計方案中核心控制器分為兩類，一類是采用數字信號處理器做為主控制器，例如TI公司的TMS320C20D0，另外一類則是采用單片機作為主控制器，例如Microchip公司的dsPIC30F2023單片機。由于單片機的外圍性能和處理能力遠遠不如DSP處理器，所以逆變的性能自然會較差一些，例如控制精度較低，通信能力不強，交流相位偏移較大，諧波多等情況，影響輸出的交流電能質量。

采用Actel公司的SmartFusion混合信號FPGA具有以下的一些優勢：

·Actel FPGA可以提供比DSP更多的PWM控制通道，內部集成高速的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，上電即行，低功耗，高穩定性，發熱小，可以節省散熱成本；

·小封裝，集成板級功能，有效降低系統成本，提高系統設計的可靠性：

·通信接口豐富，可以和多種外設進行通信。

(2) 功能概述

由于SmartFusion是一塊帶有微處理器子系統的FPGA，所以有足夠的能力去應對復雜的控制和數據處理。ARM處理器部分運行速度為100MHz，指令處理能力為1.25DMIPS／MHz，FPGA單元速度可以達到350MHz，基于Flash架構，支持多種加密技術和通信接口，性能卓越。

由于光伏應用的推廣，光伏逆變器獲得巨大的發展，隨著行業競爭者的增多。于是設計上需要不斷的創新，例如為了防止逆變器被偷于是加入警報功能，或者采用外接一個低成本的器件用于對核心控制器加密。本文實現的逆變器的一些主要功能如下：

·電流、電壓監控以及過載保護功能：

·支持電網檢測和自動同步、溫度監控和散熱控制以及超溫報警：

·具備電池備份功能；

·顯示控制功能，外接LCD／LED顯示設備；

·支持以太網接口、RS485接口和無線通信功能；

·多路增強型PWM控制：

·通過算法實現最大功率點追蹤，提高系統效率。

(3) 系統框圖

光伏逆變器的應用中，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現直流和交流的轉換，為了達到逆變的高效率、高可靠性要求，滿足系統控制靈活的特點，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計。

(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實現直流到交流的變換需要有PWM控制，例如在單相逆變時需要至少4路獨立的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，然后通過濾波電感和變壓器，就可以讓其輸出和電網一致的電壓值。由于本設計中使用的SrnartFusion FPGA可以通過算法提供很多路的增強型PWlVi輸出，所以可以一次性控制多過全橋電路工作，使逆變器的效率和可靠性都得到提高。

(2) 電網和溫度傳感

為了設計出高效率和高質量的逆變，那么就應該讓逆變控制變成一個閉環控制。通過傳感器獲取當前接人的電網中電信號波形，并控制逆變器使其輸出的交流電和電網上的電信號同步，這樣可以減小電諧波，不影響供電質量。

由于SmartFusion集成了溫度監控，能方便獲取設備溫度和并設置超溫報警。電子設備在使用過程中會有一定的發熱，所以散熱問題必須考慮，SmartFusion可以完成風扇的節能控制。

(3) 顯示接口

顯示接口部分主要是用來外接顯示設備，例如LCD或者LED。在設備的使用過程中為了能夠較好的對設備進行配置和狀態監控那么就需要一個合適的顯示接口，這樣就可以為用戶提供顯示設備當前的狀態信息和運行參數，指導操作者完成設備的配置。

(4) 通信部分

SmartFusion集成了大量的通信接口，例如以太網接口，RS-485，KS-232C以及無線通信接口，可以方便的和控制中心建立通信連接。同時控制中心可以實時監控設備的工作狀態，獲取相關的設備數據，并可以根據實際需要完成設備的遠程集中管理，提高工作效率，降低使用成本。

(5) 數據記錄

數據記錄可以用來存儲和記錄傳感器獲取的多種數據，實現數據分析和數據計算，評估系統的工作性能，輔助用戶進行設備配置和系統自動調整。

(6) MPPT和PFC

由于太陽能板的輸出電壓是變化的，要保持發電時盡可能的高效率是非常復雜的，完成這項任務的關鍵是檢測最大功率點(MaximumPowerPoint，MPP)。MPP受天氣的影響非常大。MPPT算法可用來探測MPP，并調整Dc／Dc的輸出電壓轉換，以使輸出最大化。MPPT技術可以使太陽能電池系統在冬天的整體效率提高1／3或更多，而這時也正是電力需求最高的時候。

3.市場應用

化石燃料的不斷減少，全球氣侯的變化，面對能源緊張的問題，再生能源的開發和使用將成為一種必然。隨著太陽能應用的快速發展，光伏逆變器的使用將會越來越廣，市場越來越大。逆變器的效率、可靠性和穩定性是衡量逆變器性能的主要指標。SmartFusion的單芯片、低功耗、高可靠性、智能混合的特點使其能夠為高性能逆變器設計和功率管理提供最佳的解決方案。

4.小結

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。敬請關注周立功公司的網站www，zlgmcu，corn以獲得更多的信息。我們有著一個接近30人的FPGA團隊提供強有力的售后服務和技術支持，解決用戶在產品使用和研發過程中遇到的困難。若有更多的需求可以與我們聯系，我們將會竭誠為您服務，并請關注下期的FPGA專題技術講座。