基于CPLD的并网光伏发电控制器设计

周殿凤

（盐城师范学院 物电学院，江苏 盐城 224001）

基于CPLD的并网光伏发电控制器设计

周殿凤

（盐城师范学院 物电学院，江苏 盐城 224001）

运用可编程逻辑器件CPLD设计了一款并网光伏发电控制器。该控制器由CPLD开发平台、温度传感器、接口电路组成，充电采用PWM方式控制。该控制器具有自动运行、双向切换的功能，可杜绝孤岛效应，并可对蓄电池的充放电进行保护。

CPLD；并网；光伏发电；控制器

太阳能光伏发电系统的运行方式包括独立运行和并网运行。切换型并网光伏发电系统具有自动运行、双向切换的功能。一方面，当光伏发电系统因多云、阴雨天及自身故障等导致发电量不足时，切换器能自动切换到电网供电一侧，由电网向负载供电；另一方面，当电网因为某种原因实然停电时，光伏系统可以自动切换使电网与光伏系统分离，成为独立光伏发电系统工作状态[1]。切换型并网发电系统带有储能装置，当电网出现停电、限电及故障时，可独立运行，正常向负载供电。本文运用CPLD设计了一款能实现上述功能的并网光伏发电控制器。

1 并网光伏发电系统

并网光伏发电系统如图1所示。

蓄电池用于存储晴朗天气没用完的电，以备电网发生故障时使用。控制器主要控制蓄电池的充放电、系统的保护和光伏系统与国家电网间的切换。逆变器用于将蓄电池的直流电变换成交流电，目前绝大多数电子电气产品都工作于交流电，因此逆变器是不可缺少的组成部分。

图1 并网光伏发电系统

2 控制器功能

控制器的主要功能通过 VHDL编程语言驱动响应频率可达100 MHz的CPLD芯片来完成，其主要完成的工作包括：（1）蓄电池的充放电保护，充电部分采用脉冲宽度调制技术即PWM控制方式，CPLD通过编程可以很容易实现PWM模式；（2）检测天气和国家电网运行状况，国家电网出现故障时立即切断转为蓄电池供电；（3）高压断开、低压报警和恢复功能；（4）短路保护和防反接功能。

3 控制器软硬件设计

采用Altera公司CPLD芯片实现本设计的控制部分，其中心环节检测控制电路硬件如图2所示。

一般的CPLD开发平台上都会有蜂鸣器，当蓄电池放电达到禁止值或国家电网出现故障时，蜂鸣器发出连续蜂鸣声，如果是前者CPLD会发出信号使蓄电池不再放电，倘若是后者则先与国家电网断开，再由蓄电池供电。

图2 检测控制电路

传感器电路由光传感和温度传感器组成，首先检测天气，如果光线很差不能使用光伏发电系统，则选择国家电网。温度传感器用于检测温度，实现蓄电池充电的温度补偿[2]。以6组2 V电池连成的12 V蓄电池为例，由于其允许浮充的电压范围为13.38～13.62 V，12 V的蓄电池的调节电压是温度每上升1 ℃浮充电压降低24 mV。25 ℃时浮充电压最佳值为13.5 V，由此推算出20 ℃时浮充电压为13.62 V，30 ℃时浮充电压为13.38 V。由以上分析可知，温度低于20 ℃时浮充电压也不能高于13.62 V，否则损伤电池，反之温度高于30 ℃时浮充电压也不能低于13.38 V[3]。

接口电路主要完成CPLD与其它各个电路的联接，如当国家电网出现故障时，CPLD发出指令，使光伏系统与国家电网断开等等。

控制器的软件流程如图3所示。

孤岛现象是指当电网由于电气故障或自然因素等原因中断供电时，光伏并网发电系统仍然向周围的负载供电，从而形成一个电力公司无法控制的自给供电孤岛。当光伏并网发电系统处于孤岛运行状态时，孤岛中的电压和频率无法控制，可能会对用户的设备造成损坏；孤岛中的线路仍然带电，可能会危及检修人员的人身安全等[4]。本设计中，当太阳能充足，蓄电池充满电时，负载利用太阳能供电，此时系统与并网断开，所以不会存在孤岛效应。

图3 软件流程图

充电采用PWM控制，其原理是将整个充电时间分为很多个小周期，在一个周期的部分时间内充电，其余时间不充电，从而达到调节充电电压或电流的作用。CPLD可以根据需要设计任意多路PWM，本文采用6路，图4是PWM 控制的仿真图。图中占空比即充电时间占整个周期的比例分别为10/16、11/16、12/16、13/16、14/16和15/16，y输出高电平表示充电，低电平不充电，充电周期和占空比可以根据需要调节[5]。

图4 6路PWM仿真图

4 结论

利用CPLD芯片设计了一款具有自动运行、双向切换的并网太阳能光伏发电控制器。该控制器简单、经济，反应速度快，具有很强的实用价值。

[1] Dan Chiras, Robert Aram, Kurt Nelson.太阳能光伏发电系统[M].机械工业出版社,2011：70-75.

[2] 赵平,严玉廷.并网光伏发电系统对电网影响的研究[J].电气技术,2009,10(3)：41-44.

[3] 王安春.基于 CPLD的太阳能光伏发电控制器设计[J].农村电气化,2013,310(3)：53-54.

[4] 郭小强,赵清林,邬伟扬.光伏并网发电系统孤岛检测技术[J].电工技术学报,2007,22(4)：157-162.

[5] 王冠,黄熙,王鹰.VerilogHDL与数字电路设计[M].机械工业出版社,2006：288-310.

（责任编辑、校对：孙海祥）

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

周殿凤（1978-），女，江苏宝应人，硕士，讲师，研究方向为片上可编程系统。

TK519

A

1009-9115(2013)05-0044-02

10.3969/j.issn.1009-9115.2013.05.013