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摘 要：太阳能作为一种新型的可再生能源近年来得到了广泛的应用，光伏并网技术成为有效利用太阳能发电的核心和关键。本文分析光伏发电在普通家庭的应用要求，提出了一种基于家庭用户需求的光伏发电解决方案，并进行实验测试和验证。
关键词：光伏发电；并网；逆变；家用电站
引 言
太阳能光伏发电占据21世纪世界能源消费的重要席位，不但替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。随着新生能源开发利用，光伏并网的市场前景将更加广阔，光伏发电也将朝着普及化的方向发展，分布式并网发电即将成为光伏发电的主流，因此一种真正适用家庭用电的太阳能发电设备也将成为更多用户的选择。
目前我国并网光伏一般应用在较大型的系统上，在小功率并网逆变器的研究上投入较少，技术并不完善，缺少较好的行业标准，很多并网逆变器都需要专业技能才能操作和管理，因此很难使光伏发电得到普及化的推广使用。在光伏发电领域，并网逆变算法、孤岛检测及保护、最大功率跟踪等技术研究较早，也比较成熟。但是对带蓄电池并网系统能量优化管理，系统智能化运行控制，以及光伏发电与新型不间断供电的结合这些方面研究较少，而做为一款家用光伏发电系统，这些技术非常重要。
家用光伏并网逆变器应定位为一款适合家庭用电的发电设备，因此系统可集成家庭用电网络的智能管理及控制，高性能不间断供电方案，也可以利用多个的发电设备组建分布式发电网络。同时系统应具备智能化自动运行能力，无需专业操作技能，管理方便，性能稳定。
1、系统硬件结构
整个光伏发电系统设计结构图如图1，采用FPGA作为核心控制器。系统外设模块包括DC/DC、DC/AC功率变换电路、滤波与并网控制电路、检测与通信电路、人机交互界面、蓄电池充放电控制模块。
图 1系统框图
功率主电路结构如图2所示，由太阳能电池板输出的直流电首先经过DC/DC升压变换。经高频变换器隔离送入工频变换器，工频逆变器由FPGA直接控制，产生与电网一样的交流电压并通过滤波和并网电路并入电网。
图 2主电路结构图
检测电路，将电网电压经过滤波器整形，通过电压比较器产生与电网电压同频率同相的方波信号，控制FPGA产生SPWM驱动信号。孤岛检测电路的设计采用被动与主动检测相结合的办法，使用多种检测手段，减少检测盲区，提高反应速度，以达到反孤岛效应的目的。电流的采集通过ACS712霍尔传感器将电流转换成电压信号，并使用运算放大器对输出电压变化进行放大，图4是传感器输出信号的滤波和变换电路，传感器检测电网信号通过滤波、变换处理，送入A/D转换芯片。
图 3信号采样原理图
通信电路，应用电力线载波半双工通信方式，系统运行时可通过电力线对其远程控制，只需要一台控制设备便可对所有连接在同一输电线网络的设备进行统一调度，组成大容量的分布式发电系统；
不间断供电方案，通过分离并网接口与负载接口，应用继电器能够独立控制并网和负载供电，在装置断电时常闭继电器将负载与电网连接，不影响家庭网络用电。系统在检测孤岛效应时控制并网继电器动作断开与电网的连接，同时系统自动过度到50hz逆变工作方式，持续向负载供电，实现对家庭用电网络的不间断供电。在孤岛保护状态，系统检测到电网恢复供电时，应用二次并网策略，使系统在不影响负载供电质量条件（微小相位、频率及幅值调节）下快速恢复与电网并网连接，实现二次过度保护。
2、重要算法软件结构
电网电压幅值和相位的准确获得对于并网系统来说显得尤为重要， 因此以电网线电压uab = Uin （t） = Umsin t 为例， 通过软件锁相环可获得其有效值和相位，在此基础上， 通过逆变电流幅值相位的双闭环来实现逆变电流的跟踪控制， 如图4 所示 图中上部分实现电网幅值的跟踪控制；下部实现并网电流的跟踪控制，图5为该闭环控制信号图。该算法通过VHDL语言实现，采样周期短，运算速度快，运行稳定。
图4：双闭环控制算法
图5：闭环控制信号图
系统以FPGA为处理单元，在FPGA內嵌入Nios II 32位单片机内核作为控制器，实现键盘输入、LCD显示及无线通信控制。FPGA内部结构如图7所示，外围模块其包括信号处理、电网幅值相位检测及SVPWM运算部分。
图6：FPGA内部结构图
控制器软件设计流程如下图所示，编程实现自寻优MPPT控制，及家庭用电管方方案，结构图如下。
图：7：软件流程图
3、搭建基本系统
按图1 所示搭建实验平台， FPGA控制电路芯片采用EP2C8Q208， 使用杭州绿杨公司的100M示波器及功率信号分析仪来完成实验中交流电压、电流的测量以及 THD 的测量控制的实验设置单相220v并网实验，输出功率设置75w。通过功率信号分析仪得到电流有效值均稳定在0.34 A 左右， THD
也稳定在 1 % ～ 2 % 以内，相位跟踪误差小于1°，转换效率可达91.5%。其输出波形如图9所示：通道1为并网电压波形，通道2为经过2欧姆取样电阻的并网电流波形：
图8：并网波形图
4、结果分析
采用以上技术设计的家用多功能光伏并网发电系统是一款集光伏并网发电、远程通信控制、家庭用电管理、不间断电技术及智能控制为一体的家用并网发电装置。系统运行稳定，转换效率较高，输出电能谐波少，畸变率低，该系统以并网逆变器为基础，嵌入微处理器软核，能实现对光伏并网发电的多方案、全自动及智能化控制。系统拥有并网、离网及不间断供电多种工作方式，改变了以往光伏并网发电的单一工作模式。同时系统能够自动管理运行和人性化管理界面，无需专业操作人员，这极大提高了该系统的应用人群，促进光伏发电事业的发展。
参考文献
[1] 李华德，白晶，李志民等.交流调速控制系统[M].北京：电子工业出版社，2003
[2] 王晓明，王玲.电动机的DSP控制—TI公司DSP应用.北京：北京航空航天大学出版[M].2005：100-101
[3] 蓝天，廖承林，王丽芳.基于虚拟仪器的电动汽车数字化仪表系统设计[J].电测与仪表，2008， 45（505）：50
关键词：光伏发电；并网；逆变；家用电站
引 言
太阳能光伏发电占据21世纪世界能源消费的重要席位，不但替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。随着新生能源开发利用，光伏并网的市场前景将更加广阔，光伏发电也将朝着普及化的方向发展，分布式并网发电即将成为光伏发电的主流，因此一种真正适用家庭用电的太阳能发电设备也将成为更多用户的选择。
目前我国并网光伏一般应用在较大型的系统上，在小功率并网逆变器的研究上投入较少，技术并不完善，缺少较好的行业标准，很多并网逆变器都需要专业技能才能操作和管理，因此很难使光伏发电得到普及化的推广使用。在光伏发电领域，并网逆变算法、孤岛检测及保护、最大功率跟踪等技术研究较早，也比较成熟。但是对带蓄电池并网系统能量优化管理，系统智能化运行控制，以及光伏发电与新型不间断供电的结合这些方面研究较少，而做为一款家用光伏发电系统，这些技术非常重要。
家用光伏并网逆变器应定位为一款适合家庭用电的发电设备，因此系统可集成家庭用电网络的智能管理及控制，高性能不间断供电方案，也可以利用多个的发电设备组建分布式发电网络。同时系统应具备智能化自动运行能力，无需专业操作技能，管理方便，性能稳定。
1、系统硬件结构
整个光伏发电系统设计结构图如图1，采用FPGA作为核心控制器。系统外设模块包括DC/DC、DC/AC功率变换电路、滤波与并网控制电路、检测与通信电路、人机交互界面、蓄电池充放电控制模块。
图 1系统框图
功率主电路结构如图2所示，由太阳能电池板输出的直流电首先经过DC/DC升压变换。经高频变换器隔离送入工频变换器，工频逆变器由FPGA直接控制，产生与电网一样的交流电压并通过滤波和并网电路并入电网。
图 2主电路结构图
检测电路，将电网电压经过滤波器整形，通过电压比较器产生与电网电压同频率同相的方波信号，控制FPGA产生SPWM驱动信号。孤岛检测电路的设计采用被动与主动检测相结合的办法，使用多种检测手段，减少检测盲区，提高反应速度，以达到反孤岛效应的目的。电流的采集通过ACS712霍尔传感器将电流转换成电压信号，并使用运算放大器对输出电压变化进行放大，图4是传感器输出信号的滤波和变换电路，传感器检测电网信号通过滤波、变换处理，送入A/D转换芯片。
图 3信号采样原理图
通信电路，应用电力线载波半双工通信方式，系统运行时可通过电力线对其远程控制，只需要一台控制设备便可对所有连接在同一输电线网络的设备进行统一调度，组成大容量的分布式发电系统；
不间断供电方案，通过分离并网接口与负载接口，应用继电器能够独立控制并网和负载供电，在装置断电时常闭继电器将负载与电网连接，不影响家庭网络用电。系统在检测孤岛效应时控制并网继电器动作断开与电网的连接，同时系统自动过度到50hz逆变工作方式，持续向负载供电，实现对家庭用电网络的不间断供电。在孤岛保护状态，系统检测到电网恢复供电时，应用二次并网策略，使系统在不影响负载供电质量条件（微小相位、频率及幅值调节）下快速恢复与电网并网连接，实现二次过度保护。
2、重要算法软件结构
电网电压幅值和相位的准确获得对于并网系统来说显得尤为重要， 因此以电网线电压uab = Uin （t） = Umsin t 为例， 通过软件锁相环可获得其有效值和相位，在此基础上， 通过逆变电流幅值相位的双闭环来实现逆变电流的跟踪控制， 如图4 所示 图中上部分实现电网幅值的跟踪控制；下部实现并网电流的跟踪控制，图5为该闭环控制信号图。该算法通过VHDL语言实现，采样周期短，运算速度快，运行稳定。
图4：双闭环控制算法
图5：闭环控制信号图
系统以FPGA为处理单元，在FPGA內嵌入Nios II 32位单片机内核作为控制器，实现键盘输入、LCD显示及无线通信控制。FPGA内部结构如图7所示，外围模块其包括信号处理、电网幅值相位检测及SVPWM运算部分。
图6：FPGA内部结构图
控制器软件设计流程如下图所示，编程实现自寻优MPPT控制，及家庭用电管方方案，结构图如下。
图：7：软件流程图
3、搭建基本系统
按图1 所示搭建实验平台， FPGA控制电路芯片采用EP2C8Q208， 使用杭州绿杨公司的100M示波器及功率信号分析仪来完成实验中交流电压、电流的测量以及 THD 的测量控制的实验设置单相220v并网实验，输出功率设置75w。通过功率信号分析仪得到电流有效值均稳定在0.34 A 左右， THD
也稳定在 1 % ～ 2 % 以内，相位跟踪误差小于1°，转换效率可达91.5%。其输出波形如图9所示：通道1为并网电压波形，通道2为经过2欧姆取样电阻的并网电流波形：
图8：并网波形图
4、结果分析
采用以上技术设计的家用多功能光伏并网发电系统是一款集光伏并网发电、远程通信控制、家庭用电管理、不间断电技术及智能控制为一体的家用并网发电装置。系统运行稳定，转换效率较高，输出电能谐波少，畸变率低，该系统以并网逆变器为基础，嵌入微处理器软核，能实现对光伏并网发电的多方案、全自动及智能化控制。系统拥有并网、离网及不间断供电多种工作方式，改变了以往光伏并网发电的单一工作模式。同时系统能够自动管理运行和人性化管理界面，无需专业操作人员，这极大提高了该系统的应用人群，促进光伏发电事业的发展。
参考文献
[1] 李华德，白晶，李志民等.交流调速控制系统[M].北京：电子工业出版社，2003
[2] 王晓明，王玲.电动机的DSP控制—TI公司DSP应用.北京：北京航空航天大学出版[M].2005：100-101
[3] 蓝天，廖承林，王丽芳.基于虚拟仪器的电动汽车数字化仪表系统设计[J].电测与仪表，2008， 45（505）：50