基于CPLD的光伏逆變器鎖相及保護電路設(shè)計

0 引言
    在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的逆變器電路中，對電網(wǎng)電壓的鎖相是一項關(guān)鍵技術(shù)。由于電力系統(tǒng)在工作時會產(chǎn)生較大的電磁干擾，因此，其簡單的鎖相方法很容易受到干擾而失鎖，從而導致系統(tǒng)無法正常運行。在這種情況下，設(shè)計采用對電網(wǎng)電壓進行過零檢測后再將信號送人CPLD，然后由CPLD實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓進行數(shù)字鎖相的方法，可以有效地防止相位因干擾而發(fā)生抖動或者失鎖的現(xiàn)象，保證系統(tǒng)的正常運行。另外，本系統(tǒng)還使用CPLD對DSP產(chǎn)生的PWM波控制信號和系統(tǒng)運行時的各項參數(shù)進行監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)異常，立即使系統(tǒng)停機，并通知DSP發(fā)生異常，從而實現(xiàn)了對系統(tǒng)的硬件保護。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成
    本文所介紹的設(shè)計方法是5 kW光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的一部分，該光伏并網(wǎng)逆變器可實現(xiàn)額定功率為5 kW的太陽能電池陣列的最大功率跟蹤與并網(wǎng)輸出。其逆變器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    本控制系統(tǒng)由TI DSP2812作為主控芯片，Xilinx CPLD XC9572XL用作數(shù)字鎖相與保護電路，XC9572XL為3．3 V內(nèi)核電壓的CPLD，它由4個54V18功能模塊組成，可提供1600個5 ns延遲可用門。

2 數(shù)字鎖相電路的設(shè)計與實現(xiàn)
    數(shù)字鎖相電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該電路由數(shù)字鑒相器、數(shù)字濾波器和數(shù)控振蕩器組成。

    如果把圖2所示的數(shù)字鎖相電路中的數(shù)字濾波器看成一個分頻器，則其分頻比為Mfc/K，此時的輸出頻率為：
    f'=K'△φMfc/K
    其中，△φ為輸入信號V1與輸出信號V2的相位差；fc為環(huán)路的中心頻率。那么，該數(shù)控振蕩器的輸出頻率為：
    f2=f1+K'△φMfc(kN)
    由于鎖定的極限范圍為K'△φ=±1，所以，可得到環(huán)路的捕捉帶：
    △fmax=f2max-f1=Mfc(kN)
    這樣，當環(huán)路鎖定時，f2=f1其系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)相位誤差為：
    △φ(∞)=NK(f2-f1)/(k'Mfc)
    可見，只要合理選擇K值，就能使輸出信號V2的相位較好地跟蹤輸入V1的相位，從而達到鎖定之目的。如果K值選的太大，環(huán)路捕捉帶就會變小，這將導致捕捉時間增大；而如果K直太小，則可能會出現(xiàn)頻繁進位，借位脈沖。從而使相位出現(xiàn)抖動。
    根據(jù)圖2給出的數(shù)字鎖相環(huán)的原理框圖，可用VHDL語言分別對該系統(tǒng)進行設(shè)計。其中數(shù)字濾波器由K模計數(shù)器組成，數(shù)控振蕩器包括脈沖加，減控制電路和N分頻器等。
2．1 數(shù)字鑒相器
    數(shù)字鑒相器通?？蛇x用邊沿控制型鑒相器、異或門鑒相器、同或門鑒相器或JK觸發(fā)器組成的鑒相器等。本數(shù)字鑒相器是一個相位比較裝置，主要通過比較輸入信號V1(相位φ1)與輸出信號V2(相位φ2)的相位來產(chǎn)生一個誤差信號Vd，其相位差為△φ=φ1-φ2。當△φ=φe(輸入信號脈寬的一半)時，其鑒相器輸出為方波，屬于相位鎖定階段。在這種情況下，只要可逆計數(shù)器的K值足夠大，其輸出端就不會產(chǎn)生進位脈沖或借位脈沖。在環(huán)路未鎖定時，若△φ<φe，其輸出脈沖的占空比小于50％；而當△φ>φe，其占空比大于50％，該輸出電壓Vd將加到K?？赡嬗嫈?shù)器的UPDN輸入端。
2．2 數(shù)字濾波器
    計數(shù)器可設(shè)計成一個17位可編程(可變模數(shù))可逆計數(shù)器，計數(shù)范圍為23～217，可由外部置數(shù)DCBA控制。其輸入頻率fk=Mfc。當鑒相器輸出Vd為高電平時，K模計數(shù)器進行減計數(shù)，計數(shù)到“0”時，輸出一個借位脈沖DN；而當鑒相器輸出Vd為低電平時，K計數(shù)器進行加計數(shù)，當計數(shù)到某一設(shè)定值“DCBA”時，將輸出一個進位脈沖UP。UP和DN可作為脈沖加／減電路的“加”和“扣”脈沖控制信號。
2．3 數(shù)控振蕩器
    本電路由D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器和與門、或門等電路組成。當數(shù)字濾波器UP輸出端輸出一個進位脈沖時，系統(tǒng)便在INC下降沿到來后，在脈沖加／減電路的輸出端fout插入一個脈沖信號，也就是使相位提前半個周期；反之，當數(shù)字濾波器DN端輸出一個借位脈沖時，在DN下降沿到來后，系統(tǒng)就會在脈沖加／減電路的輸出序列中扣除一個脈沖信號，也就是使相位滯后半個周期，且這個過程是連續(xù)發(fā)生的。這樣，脈沖加，減電路的輸出經(jīng)N分頻器模塊(ncount)分頻后，即可使輸出信號的相位接受調(diào)整控制，最終達到鎖定。當環(huán)路鎖定后，輸出與輸入信號之間會存在一定的相位誤差。

3 保護電路的設(shè)計與實現(xiàn)
    本系統(tǒng)中的保護電路主要由PWM波形監(jiān)視模塊和系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)視模塊組成，其保護電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

   圖3中的脈寬異常檢測模塊由3個9位使能計數(shù)器組成，DSP輸出的三路PWM信號分別作為計數(shù)器的使能信號輸入。當控制信號有效時，計數(shù)器開始計數(shù)，計數(shù)器的上限值為400，即200μs，當控制信號的有效寬度小于200 μs時(在本系統(tǒng)中DSP的控制周期為55μs)，即認為該PWM波正常，系統(tǒng)會將控制信號直接輸出；如果大于200μs，則認為PWM波出現(xiàn)異常，此時系統(tǒng)將立即切斷PWM波的有效輸出而停機．并把異常中斷信號和異常狀態(tài)碼信息報告給DSP。共態(tài)導通模塊可用于監(jiān)視逆變器系統(tǒng)，從而控制半橋高低端的兩路對稱SPWM波信號，保證這兩路信號輸出不會出現(xiàn)共態(tài)導通的情況。另外，由模擬比較器產(chǎn)生的系統(tǒng)過電壓、過電流和溫度異常等報警信號，經(jīng)過數(shù)字濾波后，將送人PWM波處理模塊。這樣，在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，即可由CPLD實現(xiàn)硬件上的停機保護動作。
    圖4所示是保護電路的系統(tǒng)頂層圖。圖5所示是該保護電路的仿真波形。

4 結(jié)束語
    本文介紹了基于CPLD的光伏并網(wǎng)逆變器的鎖相及保護電路的設(shè)計與實現(xiàn)方法，該電路目前已經(jīng)在項目組的5 kW光伏并網(wǎng)逆變器中成功運用，實際使用證明，該電路可為系統(tǒng)的長時間穩(wěn)定運行提供可靠的保障。