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逆變控制器是太陽能光伏發電系統的重要組成部分和控制核心,其性能關系到整個系統能否高效、可靠工作,具有重要的理論及實際價值.近年來復雜可編程邏輯器件(CPLD)已被廣泛地應用到了通信、醫療等領域,然而其在逆變控制器方面的應用還處于起步階段.國內外學者已經做了一些相關的工作,一些模塊已被用于到逆變控制器的設計.此外,包括逆變器在內的一些電力電子裝置控制器已逐步開始采用CPLD(或現場可編程門陣列(FPGA))器件,并將其用于簡單的邏輯運算或波形發生電路設計中.上述研究中,CPLD的引入對于簡化控制電路、提高可靠性和抗干擾能力起到良好的促進作用,但核心控制算法仍由DSP或單片機完成,未能充分發揮CPLD的優勢.本文提出了一種基于CPLD的單相逆變控制器的設計方案.

1　系統設計

1.1　總體結構

整個逆變器系統如圖1所示.CPLD是整個系統的控制核心.本設計采用全橋結構.

根據功能的劃分,整個控制器的設計可以分成4個模塊:比例積分(PI)模塊、混合脈寬調制(HPWM)模塊、正弦波產生模塊(采用直接頻率合成方式DDS生成)及三角波產生模塊.在Quartus II環境下同時采用了圖形輸入及VerilogHDL 2種輸入方式,極大地降低了設計的難度.

1.2　正弦波及三角波產生模塊

由于控制器采用PI調節和SPWM控制,因此PI模塊和HPWM模塊中使用正弦調制參考信號及三角載波.正弦波的幅度和頻率決定著最后逆變器輸出正弦波的頻率和相位,三角波的頻率決定IGBT開關的頻率,故在CPLD中根據DDS(直接數字式頻率合成器)的原理設計了正弦波產生模塊和三角波產生模塊.正弦波和三角波的幅度、頻率、相位都可調.由于頻率控制字、相位控制字的字長決定著控制精度,因此將字長設為32 byte.

1.3　PI模塊

PI模塊設計中采用了增量式的數字PI算法.其算法描述為

式中:u(k)為PI輸出;e(k)為PI輸入即電壓誤差信號;k1=kp+ki,k2=-kp;kp和ki分別為比例和積分系數.

為了提高控制器的速度,PI模塊的設計采用了并行處理的結構.圖2是PI模塊的結構圖.圖中:uref為基準電壓信號;u0為輸入電壓;REG為寄存器.從圖2可以看出,PI模塊包括1個減法器、2個加法器、2個乘法器和2個寄存器.Quartus II中提供了許多宏模塊,這些模塊中的參數可自定義.在PI模塊設計中直接調用了QuartusII各個模塊.另外為了防止PI調節出現積分飽和,在PI模塊中還加入了一個限幅電路.

1.4　HPWM模塊

HPWM控制是SPWM改進形式,有很多實現方法.模擬自然采樣方法實現簡單,但參數難以調整;純軟件實現方法參數調整方便但其受易處理器系統時鐘和計算能力的限制.為了解決上述的這些問題,采用一種基于CPLD的數字自然采樣的方法.

數字自然采樣的原理類似于模擬自然采樣.圖3是HPWM模塊的結構圖.HPWM模塊包含2個數字比較器,1個數字比較器用來比較PI輸出結果和三角載波,另外1個用來將三角載波和負的PI輸出相比,將這2個比較結果經過組合邏輯產生4路PWM波.另外為了防止同一橋臂的2個開關管同時導通而造成短路,在4路PWM中加入合適的死區,在HPWM中加入了死區產生電路,死區的時間可以編程.

2　模塊仿真

使用Quartus II對PI模塊和HPWM模塊進行了仿真.

2.1　PI模塊仿真

PI模塊的仿真條件如下:輸入u0=0,故e(k)=uref,uref來自于正弦波產生模塊,kp=32,ki=2.

圖4顯示了PI模塊的仿真結果.可以看出PI的輸出u(k)在正半周期隨著正弦基準的增加而增大,直到達到飽和,在負半周期逐漸減少.仿真結果符合理論分析,驗證了設計的有效性.

2.2　HPWM模塊仿真

用50 Hz的正弦波和25 kHz的三角波作為輸入,輸出結果如圖5所示.圖中:clk為25 kHZ頻率信號;clr為系統清零信號,模塊正常工作時保持為低.由驅動波形可見,該模塊成功實現單相全橋逆變器的混合脈寬調制策略.仿真結果和理論分析相符.

3　實驗驗證

為了驗證理論與仿真分析的正確性,構建了一臺CPLD控制的單相全橋逆變器原理樣機,并進行實驗驗證.樣機直流輸入電壓為340 V,額定輸出功率2 kW,輸出電壓為220 VAC/50 Hz,輸出濾波電感Lf=500μF,輸出濾波電容Cf=500μF,開關頻率25 kHz,功率開關管均采用IGBT器件BSM150GB120DN2.

圖6為額定功率時的輸出實驗波形,其中,通道1為輸出電壓u0,通道2為橋臂電壓uAB.可見,CPLD控制器成功實現了該逆變器的閉環調節,并取得良好效果.通道1顯示輸出波形具有良好的正弦度,實測輸出電壓從空載至滿載的THD(總濾波失真)值均小于2%.通道2則表明該系統完全實現了全橋逆變器混合調制策略,有助于降低輸出諧波,減小濾波器體積.圖7的實測效率曲線則表明,采用本文設計的CPLD控制器的逆變器取得了高的變換效率.