基于CPLD的单相逆变控制器

逆变控制器是太阳能光伏发电系统的重要组成部分和控制核心,其性能关系到整个系统能否高效、可靠工作,具有重要的理论及实际价值.近年来复杂可编程逻辑器件(CPLD)已被广泛地应用到了通信、医疗等领域,然而其在逆变控制器方面的应用还处于起步阶段.国内外学者已经做了一些相关的工作,一些模块已被用于到逆变控制器的设计.此外,包括逆变器在内的一些电力电子装置控制器已逐步开始采用CPLD(或现场可编程门阵列(FPGA))器件,并将其用于简单的逻辑运算或波形发生电路设计中.上述研究中,CPLD的引入对于简化控制电路、提高可靠性和抗干扰能力起到良好的促进作用,但核心控制算法仍由DSP或单片机完成,未能充分发挥CPLD的优势.本文提出了一种基于CPLD的单相逆变控制器的设计方案.

1　系统设计

1.1　总体结构

整个逆变器系统如图1所示.CPLD是整个系统的控制核心.本设计采用全桥结构.

根据功能的划分,整个控制器的设计可以分成4个模块:比例积分(PI)模块、混合脉宽调制(HPWM)模块、正弦波产生模块(采用直接频率合成方式DDS生成)及三角波产生模块.在Quartus II环境下同时采用了图形输入及VerilogHDL 2种输入方式,极大地降低了设计的难度.

1.2　正弦波及三角波产生模块

由于控制器采用PI调节和SPWM控制,因此PI模块和HPWM模块中使用正弦调制参考信号及三角载波.正弦波的幅度和频率决定着最后逆变器输出正弦波的频率和相位,三角波的频率决定IGBT开关的频率,故在CPLD中根据DDS(直接数字式频率合成器)的原理设计了正弦波产生模块和三角波产生模块.正弦波和三角波的幅度、频率、相位都可调.由于频率控制字、相位控制字的字长决定着控制精度,因此将字长设为32 byte.

1.3　PI模块

PI模块设计中采用了增量式的数字PI算法.其算法描述为

式中:u(k)为PI输出;e(k)为PI输入即电压误差信号;k1=kp+ki,k2=-kp;kp和ki分别为比例和积分系数.

为了提高控制器的速度,PI模块的设计采用了并行处理的结构.图2是PI模块的结构图.图中:uref为基准电压信号;u0为输入电压;REG为寄存器.从图2可以看出,PI模块包括1个减法器、2个加法器、2个乘法器和2个寄存器.Quartus II中提供了许多宏模块,这些模块中的参数可自定义.在PI模块设计中直接调用了QuartusII各个模块.另外为了防止PI调节出现积分饱和,在PI模块中还加入了一个限幅电路.

1.4　HPWM模块

HPWM控制是SPWM改进形式,有很多实现方法.模拟自然采样方法实现简单,但参数难以调整;纯软件实现方法参数调整方便但其受易处理器系统时钟和计算能力的限制.为了解决上述的这些问题,采用一种基于CPLD的数字自然采样的方法.

数字自然采样的原理类似于模拟自然采样.图3是HPWM模块的结构图.HPWM模块包含2个数字比较器,1个数字比较器用来比较PI输出结果和三角载波,另外1个用来将三角载波和负的PI输出相比,将这2个比较结果经过组合逻辑产生4路PWM波.另外为了防止同一桥臂的2个开关管同时导通而造成短路,在4路PWM中加入合适的死区,在HPWM中加入了死区产生电路,死区的时间可以编程.

2　模块仿真

使用Quartus II对PI模块和HPWM模块进行了仿真.

2.1　PI模块仿真

PI模块的仿真条件如下:输入u0=0,故e(k)=uref,uref来自于正弦波产生模块,kp=32,ki=2.

图4显示了PI模块的仿真结果.可以看出PI的输出u(k)在正半周期随着正弦基准的增加而增大,直到达到饱和,在负半周期逐渐减少.仿真结果符合理论分析,验证了设计的有效性.

2.2　HPWM模块仿真

用50 Hz的正弦波和25 kHz的三角波作为输入,输出结果如图5所示.图中:clk为25 kHZ频率信号;clr为系统清零信号,模块正常工作时保持为低.由驱动波形可见,该模块成功实现单相全桥逆变器的混合脉宽调制策略.仿真结果和理论分析相符.

3　实验验证

为了验证理论与仿真分析的正确性,构建了一台CPLD控制的单相全桥逆变器原理样机,并进行实验验证.样机直流输入电压为340 V,额定输出功率2 kW,输出电压为220 VAC/50 Hz,输出滤波电感Lf=500μF,输出滤波电容Cf=500μF,开关频率25 kHz,功率开关管均采用IGBT器件BSM150GB120DN2.

图6为额定功率时的输出实验波形,其中,通道1为输出电压u0,通道2为桥臂电压uAB.可见,CPLD控制器成功实现了该逆变器的闭环调节,并取得良好效果.通道1显示输出波形具有良好的正弦度,实测输出电压从空载至满载的THD(总滤波失真)值均小于2%.通道2则表明该系统完全实现了全桥逆变器混合调制策略,有助于降低输出谐波,减小滤波器体积.图7的实测效率曲线则表明,采用本文设计的CPLD控制器的逆变器取得了高的变换效率.