要實現把太陽能電池上的低直流電能能夠并網供電，就需要一種逆變裝置，這種逆變裝置要求能夠把低的直流電變換成與電網電壓幅度、頻率、相位均相同的正弦交流電，才能保證可靠的并網供電。而實現逆變的主要部分就是逆變控制器。本方案擬采用單片FPGA來實現太陽能并網逆變控制器的功能，其實現整體框圖如圖1所示。

　　首先數據采集芯片在FPGA的控制下采集的市電電壓與逆變器輸出電壓進行鎖相，保證了逆變器輸出電壓與市電電壓保持相位一致，用鎖相環(huán)輸出的正弦信號作為電壓電流雙環(huán)控制的基準信號。電壓電流控制環(huán)在基準信號、濾波電感電流、輸出電壓的反饋信號的控制下通過PI調節(jié)等控制策略產生用于SPWM的調制波，該調制波與三角波通過SPWM產生模塊即可產生SPWM波作為全橋逆變開關管的開關控制信號。

　　芯片中還有用于DC-DC的PWM控制信號，通過采集DC-DC輸出電壓值來實時調節(jié)PWM脈沖寬度，保證DC-DC輸出的高直流電壓的穩(wěn)定。輸入欠壓輸出過流保護模塊保證在光伏電池輸出電壓過低時、輸出過流時及時關斷SPWM和PWM信號，保證設備的安全。

　　1.電壓電流雙環(huán)控制

　　電壓外環(huán)電流內環(huán)的雙環(huán)控制方案是高性能逆變電源的發(fā)展方向之一，雙環(huán)控制方案的電流內環(huán)擴大逆變器控制系統的帶寬，使得逆變器動態(tài)響應加快，非線性負載適應能力加強，輸出電壓的諧波含量減小。本設計擬采用以濾波電感電流為內環(huán)被控量的電感電流內環(huán)電壓外環(huán)雙閉環(huán)控制。

　　電感電流內環(huán)電壓外環(huán)控制方式的控制原理框圖如圖2所示，電壓給定信號與輸出電壓反饋信號比較得到電壓誤差，經過PI電壓調節(jié)器產生電感電流給定信號，再與電感電流反饋信號比較而得的電流誤差信號經過PI電流調節(jié)器形成控制量，對逆變器實施控制。

　　在這個雙環(huán)控制方案中，電流內環(huán)采用PI調節(jié)器，電流調節(jié)器的比例環(huán)節(jié)用來增加逆變器的阻尼系數，使整個系統工作穩(wěn)定，并且保證有很強的魯棒性;電流調節(jié)器的積分環(huán)節(jié)用來使電流環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差小。電壓外環(huán)也采用PI調節(jié)器，電壓調節(jié)器的作用是使得輸出電壓波形瞬時跟蹤給定值。這種電流內環(huán)電壓外環(huán)雙環(huán)控制的動態(tài)響應速度十分快，并且靜態(tài)誤差較小。其FPGA內部的硬件實現原理如圖3所示。

　　圖3中PI控制器輸出信號m(t)與輸入信號e(t)的關系為：

　　則PI算法的S域的傳遞函數為：

　　其中， 、 分別為比例和積分環(huán)節(jié)系數，當采樣周期很短時，映射到Z域有：

　　將

按泰勒級數展開，有：

　　若取泰勒級數展開式的前兩項，則PI算法的Z域傳遞函數為：

　　顯然，在離散系統中，積分表示累加求和，這樣我們就不難構造工程上的硬件PI算法了。圖4是硬件PI算法結構的運算流程。

　　圖5所示為電壓外環(huán)電感電流內環(huán)雙閉環(huán)控制逆變系統輸出負載突變時的電壓電流SIMULINK仿真結果，從上到下依次為突加負載、突卸負載、負載不變的仿真結果。從仿真結果中可以看出，在負載變化后，系統能較快進入穩(wěn)定狀態(tài)，并且在負載變化的前后，輸出的電壓值基本不變。這說明電壓外環(huán)電感電流內環(huán)雙閉環(huán)控制逆變系統不僅具有較好的動態(tài)性能，也具有較好的穩(wěn)態(tài)性能。

　　2.SPWM波形產生

　　SPWM波產生原理如圖6所示，正弦基準信號與三角載波進行比較，當正弦波大于三角波時，一路SPWM為正;當正弦波小于三角波時，一路SPWM為負。實際中的與三角波進行調制的并不是直接的正弦基準信號，而是正弦基準信號通過電壓電流雙閉環(huán)后產生的調制波U0與三角波進行比較調制的，這樣才能保證對逆變輸出電壓的實時控制。AH、AL即為調制波與三角載波比較而來。

　　其三角載波可利用10位有符號可逆計數器來實現的，利用其循環(huán)加減來產生數字化三角載波，即從-512計數到511，再從511返回到-512。加減計數器每進行一次計數所需要的時間即為數字化三角載波周期的一半。因此，計數時鐘周期TO、數字化三角載波峰峰值P以及三角載波周期TC三者之間的關系為：TC=2TOP。

　　由于開關管固有開關時間ts的影響，開通時間ton往往小于關斷時間toff，因此容易發(fā)生同臂兩開關管同時導通的短路故障。為避免這種故障的發(fā)生，通常要設置開關死區(qū)△t，以保證同橋臂上的一只開關管可靠關斷后，另一只開關管才能開通。本文中的死區(qū)設置原理如圖7所示，首先將調制波 加和減一個常數 分別得到 和 ，然后通過三角波與 比較得到AH，三角波與 比較得到AL，這樣就會得到一個死區(qū)，并且死區(qū)時間可通過常數 來調節(jié)， 越大，死區(qū)時間越長，反之越短。