基于CPLD的光伏逆變器鎖相及保護電路設計

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鍵技術。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)整體結構組成
本文所介紹的設計方法是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)結構圖如圖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)字鎖相電路的設計與實現(xiàn)
數(shù)字鎖相電路的系統(tǒng)結構圖如圖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。