基于CPLD的并網(wǎng)光伏發(fā)電控制器設(shè)計

周殿鳳

（鹽城師范學(xué)院 物電學(xué)院，江蘇 鹽城 224001）

基于CPLD的并網(wǎng)光伏發(fā)電控制器設(shè)計

周殿鳳

（鹽城師范學(xué)院 物電學(xué)院，江蘇 鹽城 224001）

運用可編程邏輯器件CPLD設(shè)計了一款并網(wǎng)光伏發(fā)電控制器。該控制器由CPLD開發(fā)平臺、溫度傳感器、接口電路組成，充電采用PWM方式控制。該控制器具有自動運行、雙向切換的功能，可杜絕孤島效應(yīng)，并可對蓄電池的充放電進行保護。

CPLD；并網(wǎng)；光伏發(fā)電；控制器

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行方式包括獨立運行和并網(wǎng)運行。切換型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)具有自動運行、雙向切換的功能。一方面，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)因多云、陰雨天及自身故障等導(dǎo)致發(fā)電量不足時，切換器能自動切換到電網(wǎng)供電一側(cè)，由電網(wǎng)向負(fù)載供電；另一方面，當(dāng)電網(wǎng)因為某種原因?qū)嵢煌ｋ姇r，光伏系統(tǒng)可以自動切換使電網(wǎng)與光伏系統(tǒng)分離，成為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)工作狀態(tài)[1]。切換型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)帶有儲能裝置，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)停電、限電及故障時，可獨立運行，正常向負(fù)載供電。本文運用CPLD設(shè)計了一款能實現(xiàn)上述功能的并網(wǎng)光伏發(fā)電控制器。

1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

蓄電池用于存儲晴朗天氣沒用完的電，以備電網(wǎng)發(fā)生故障時使用。控制器主要控制蓄電池的充放電、系統(tǒng)的保護和光伏系統(tǒng)與國家電網(wǎng)間的切換。逆變器用于將蓄電池的直流電變換成交流電，目前絕大多數(shù)電子電氣產(chǎn)品都工作于交流電，因此逆變器是不可缺少的組成部分。

圖1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

2 控制器功能

控制器的主要功能通過 VHDL編程語言驅(qū)動響應(yīng)頻率可達100 MHz的CPLD芯片來完成，其主要完成的工作包括：（1）蓄電池的充放電保護，充電部分采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)即PWM控制方式，CPLD通過編程可以很容易實現(xiàn)PWM模式；（2）檢測天氣和國家電網(wǎng)運行狀況，國家電網(wǎng)出現(xiàn)故障時立即切斷轉(zhuǎn)為蓄電池供電；（3）高壓斷開、低壓報警和恢復(fù)功能；（4）短路保護和防反接功能。

3 控制器軟硬件設(shè)計

采用Altera公司CPLD芯片實現(xiàn)本設(shè)計的控制部分，其中心環(huán)節(jié)檢測控制電路硬件如圖2所示。

一般的CPLD開發(fā)平臺上都會有蜂鳴器，當(dāng)蓄電池放電達到禁止值或國家電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，蜂鳴器發(fā)出連續(xù)蜂鳴聲，如果是前者CPLD會發(fā)出信號使蓄電池不再放電，倘若是后者則先與國家電網(wǎng)斷開，再由蓄電池供電。

圖2 檢測控制電路

傳感器電路由光傳感和溫度傳感器組成，首先檢測天氣，如果光線很差不能使用光伏發(fā)電系統(tǒng)，則選擇國家電網(wǎng)。溫度傳感器用于檢測溫度，實現(xiàn)蓄電池充電的溫度補償[2]。以6組2 V電池連成的12 V蓄電池為例，由于其允許浮充的電壓范圍為13.38～13.62 V，12 V的蓄電池的調(diào)節(jié)電壓是溫度每上升1 ℃浮充電壓降低24 mV。25 ℃時浮充電壓最佳值為13.5 V，由此推算出20 ℃時浮充電壓為13.62 V，30 ℃時浮充電壓為13.38 V。由以上分析可知，溫度低于20 ℃時浮充電壓也不能高于13.62 V，否則損傷電池，反之溫度高于30 ℃時浮充電壓也不能低于13.38 V[3]。

接口電路主要完成CPLD與其它各個電路的聯(lián)接，如當(dāng)國家電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，CPLD發(fā)出指令，使光伏系統(tǒng)與國家電網(wǎng)斷開等等。

控制器的軟件流程如圖3所示。

孤島現(xiàn)象是指當(dāng)電網(wǎng)由于電氣故障或自然因素等原因中斷供電時，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仍然向周圍的負(fù)載供電，從而形成一個電力公司無法控制的自給供電孤島。當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)處于孤島運行狀態(tài)時，孤島中的電壓和頻率無法控制，可能會對用戶的設(shè)備造成損壞；孤島中的線路仍然帶電，可能會危及檢修人員的人身安全等[4]。本設(shè)計中，當(dāng)太陽能充足，蓄電池充滿電時，負(fù)載利用太陽能供電，此時系統(tǒng)與并網(wǎng)斷開，所以不會存在孤島效應(yīng)。

圖3 軟件流程圖

充電采用PWM控制，其原理是將整個充電時間分為很多個小周期，在一個周期的部分時間內(nèi)充電，其余時間不充電，從而達到調(diào)節(jié)充電電壓或電流的作用。CPLD可以根據(jù)需要設(shè)計任意多路PWM，本文采用6路，圖4是PWM 控制的仿真圖。圖中占空比即充電時間占整個周期的比例分別為10/16、11/16、12/16、13/16、14/16和15/16，y輸出高電平表示充電，低電平不充電，充電周期和占空比可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)[5]。

圖4 6路PWM仿真圖

4 結(jié)論

利用CPLD芯片設(shè)計了一款具有自動運行、雙向切換的并網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電控制器。該控制器簡單、經(jīng)濟，反應(yīng)速度快，具有很強的實用價值。

[1] Dan Chiras, Robert Aram, Kurt Nelson.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)[M].機械工業(yè)出版社,2011：70-75.

[2] 趙平,嚴(yán)玉廷.并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)影響的研究[J].電氣技術(shù),2009,10(3)：41-44.

[3] 王安春.基于 CPLD的太陽能光伏發(fā)電控制器設(shè)計[J].農(nóng)村電氣化,2013,310(3)：53-54.

[4] 郭小強,趙清林,鄔偉揚.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報,2007,22(4)：157-162.

[5] 王冠,黃熙,王鷹.VerilogHDL與數(shù)字電路設(shè)計[M].機械工業(yè)出版社,2006：288-310.

（責(zé)任編輯、校對：孫海祥）

The Controller of Grid-connected Photovoltaic Power Based on CPLD

ZHOU Dian-feng

(School of Physical Science and Electronic Technique, Yancheng Normal University, Yancheng 224001, China)

Controller of grid-connected photovoltaic power was designed with efficient complex programmable logic device. The controller is composed of the development platform of CPLD and temperature sensor and interface circuit. Battery charging adopted PWM model. The controller can run automatically, can prevent islanding effect, and can protect batter charge and discharge.

CPLD; grid-connected; photovoltaic power; controller

2013-05-23

周殿鳳（1978-），女，江蘇寶應(yīng)人，碩士，講師，研究方向為片上可編程系統(tǒng)。

TK519

A

1009-9115(2013)05-0044-02

10.3969/j.issn.1009-9115.2013.05.013