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摘 要： 运用高响应速率可编程逻辑器件CPLD设计了一款太阳能光伏发电控制器。该控制器由CPLD开发平台、温度传感器、接口电路和报警电路组成，充电采用PWM方式控制。控制器可对蓄电池的充放电进行保护，具有高压断开、低压报警和恢复功能，还可实现短路保护和防蓄电池反接功能。该控制器简单经济，有较好的应用前景。
关键词： CPLD；光伏发电；控制器
在能源危机和环境污染日益严重的双重压力下，太阳能作为一种节能、环保、取之不尽的绿色能源，已成为当前国际能源开发利用领域中的新热点[1]，太阳能光伏发电理应有广泛的应用，但是昂贵的成本阻碍了其发展与应用。在太阳能光伏发电系统中，蓄电池占初始投资成本的25%左右[2]，如果蓄电池的充放电控制不好，容易导致蓄电池提前失效，使系统运行成本增加，阻碍了光伏发电的进一步发展[3]。本文探讨了一种基于CPLD的简单、经济、实用的光伏发电控制器。
1 太阳能光伏发电系统图
光伏发电系统主要由太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器组成[4]。蓄电池用于存储晴朗天气用不掉的电以备晚上和阴雨天气使用。控制器主要控制蓄电池的充电以及系统的保护。逆变器用于将蓄电池的直流电变换成交流电，因为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。
2 控制器功能
为了使整个系统工作于最大效率，控制器的设计必须合理，本控制器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，控制器主要完成的工作如下：① 蓄电池的充放电保护；② 高压断开、低压报警和恢复功能；③ 温度补偿功能；④ 短路保护；⑤ 防反接功能。
3 控制器框图
为了完成上述功能，控制器需要采用图2所示的电路。
图2中D1、D2为肖特基二极管。肖特基二极管管耗很低，造成的电路损耗较小，特别适用于本电路。正常充电时，D1导通，D2截止，但是当蓄电池电压大于太阳能电池电压时，D1截止，此时开关1指向系统其它电路，这样可以有效防止蓄电池反过来向太阳能电池充电。开关1的作用是如果系统判断蓄电池容量太低，太阳能优先给蓄电池充电然后才是给负载供电。当蓄电池接反时D2导通，蓄电池通過D2放电，产生很大电流将熔断器熔断，因而起到防反接作用。开关2是蓄电池放电开关，当负载超载或短路时，开关2关断从而起保护作用。当蓄电池放电太多时也立即关闭开关2防止蓄电池过放电，因为过放电是蓄电池损坏的重要诱因。[3]
4 检测控制电路软硬件设计
4.1 硬件设计
Altera公司的任意一款低价CPLD芯片均可以完成本次设计的控制部分，其中心环节检测控制电路硬件图。
其中报警电路很简单，就是一个蜂鸣器，为了简化电路也可将其制作到CPLD开发平台上，其作用是当蓄电池放电到达禁止值时发出连续的蜂鸣声以作提醒，此时CPLD会发出信号切断开关2使蓄电池不再放电。
温度传感器用于检测温度，实现温度补偿。以6组电池连成的12V蓄电池为例，由于其允许浮充的电压范围为13.38～13.62V，对于2V的单体电压，温度调节系数是-4mV/0C，因此12V的蓄电池其调节电压是温度每上升10C浮充电压降低0.024V。250C时浮充电压为13.5V，200C时浮充电压为13.62V，300C时浮充电压为13.38V。由上面分析可知，温度低于200C时浮充电压也不能高于13.62V，否则损伤电池，反之温度高于300C时浮充电压也不能低于13.38V，因此只能笼统的进行温度调节。CPLD根据温度传感器的温度作出选择，当温度低于200C时设置浮充电压为13.62V，高于300C时浮充电压设置为13.38V，温度介于20～300C之间浮充电压为标准电压13.5V，这样的分类更符合实际情况，不至于在一天中不断地切换充电电压。如果处于极端寒冷天气，根据蓄电池特性，浮充电压也可上调至13.7V，再大就会造成不可挽回的损失。
接口电路主要是指CPLD留出一些端口去控制光伏系统的其它电路，如对开关1、2的控制。
4.2 软件设计
CPLD采用VHDL语言编程，其实现流程。其中V浮根据温度不同选择13.38V、13.5V、13.62V和13.7V，在浮充程序中CPLD会根据实际温度自动进行选择。
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。
图5是PWM控制的一个仿真图，共4路（CPLD可以根据需要设计任意多路PWM）。图5中占空比即充电时间占整个周期的比例分别为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 小结
本文利用响应频率可达到100MHz的CPLD芯片设计了一种太能能光伏发电的控制器，该控制器简单、经济，反应速度快，具有很强的实用价值。
参考文献：
[1]胡粉娥、魏生贤、陶昌等，实用太阳能低温热水地板辐射采暖系统设计[J].可再生能源，2010，28（1）：85-88
[2]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
[3]周志敏、纪爱华，太阳能光伏发电系统设计与应用实例[M].电子工业出版社，2010：89.
[4]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.
[5]王冠、黄熙、王鹰，Verilog HDL与数字电路设计[M].机械工业出版社，2006：300-330.
关键词： CPLD；光伏发电；控制器
在能源危机和环境污染日益严重的双重压力下，太阳能作为一种节能、环保、取之不尽的绿色能源，已成为当前国际能源开发利用领域中的新热点[1]，太阳能光伏发电理应有广泛的应用，但是昂贵的成本阻碍了其发展与应用。在太阳能光伏发电系统中，蓄电池占初始投资成本的25%左右[2]，如果蓄电池的充放电控制不好，容易导致蓄电池提前失效，使系统运行成本增加，阻碍了光伏发电的进一步发展[3]。本文探讨了一种基于CPLD的简单、经济、实用的光伏发电控制器。
1 太阳能光伏发电系统图
光伏发电系统主要由太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器组成[4]。蓄电池用于存储晴朗天气用不掉的电以备晚上和阴雨天气使用。控制器主要控制蓄电池的充电以及系统的保护。逆变器用于将蓄电池的直流电变换成交流电，因为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。
2 控制器功能
为了使整个系统工作于最大效率，控制器的设计必须合理，本控制器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，控制器主要完成的工作如下：① 蓄电池的充放电保护；② 高压断开、低压报警和恢复功能；③ 温度补偿功能；④ 短路保护；⑤ 防反接功能。
3 控制器框图
为了完成上述功能，控制器需要采用图2所示的电路。
图2中D1、D2为肖特基二极管。肖特基二极管管耗很低，造成的电路损耗较小，特别适用于本电路。正常充电时，D1导通，D2截止，但是当蓄电池电压大于太阳能电池电压时，D1截止，此时开关1指向系统其它电路，这样可以有效防止蓄电池反过来向太阳能电池充电。开关1的作用是如果系统判断蓄电池容量太低，太阳能优先给蓄电池充电然后才是给负载供电。当蓄电池接反时D2导通，蓄电池通過D2放电，产生很大电流将熔断器熔断，因而起到防反接作用。开关2是蓄电池放电开关，当负载超载或短路时，开关2关断从而起保护作用。当蓄电池放电太多时也立即关闭开关2防止蓄电池过放电，因为过放电是蓄电池损坏的重要诱因。[3]
4 检测控制电路软硬件设计
4.1 硬件设计
Altera公司的任意一款低价CPLD芯片均可以完成本次设计的控制部分，其中心环节检测控制电路硬件图。
其中报警电路很简单，就是一个蜂鸣器，为了简化电路也可将其制作到CPLD开发平台上，其作用是当蓄电池放电到达禁止值时发出连续的蜂鸣声以作提醒，此时CPLD会发出信号切断开关2使蓄电池不再放电。
温度传感器用于检测温度，实现温度补偿。以6组电池连成的12V蓄电池为例，由于其允许浮充的电压范围为13.38～13.62V，对于2V的单体电压，温度调节系数是-4mV/0C，因此12V的蓄电池其调节电压是温度每上升10C浮充电压降低0.024V。250C时浮充电压为13.5V，200C时浮充电压为13.62V，300C时浮充电压为13.38V。由上面分析可知，温度低于200C时浮充电压也不能高于13.62V，否则损伤电池，反之温度高于300C时浮充电压也不能低于13.38V，因此只能笼统的进行温度调节。CPLD根据温度传感器的温度作出选择，当温度低于200C时设置浮充电压为13.62V，高于300C时浮充电压设置为13.38V，温度介于20～300C之间浮充电压为标准电压13.5V，这样的分类更符合实际情况，不至于在一天中不断地切换充电电压。如果处于极端寒冷天气，根据蓄电池特性，浮充电压也可上调至13.7V，再大就会造成不可挽回的损失。
接口电路主要是指CPLD留出一些端口去控制光伏系统的其它电路，如对开关1、2的控制。
4.2 软件设计
CPLD采用VHDL语言编程，其实现流程。其中V浮根据温度不同选择13.38V、13.5V、13.62V和13.7V，在浮充程序中CPLD会根据实际温度自动进行选择。
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。
图5是PWM控制的一个仿真图，共4路（CPLD可以根据需要设计任意多路PWM）。图5中占空比即充电时间占整个周期的比例分别为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 小结
本文利用响应频率可达到100MHz的CPLD芯片设计了一种太能能光伏发电的控制器，该控制器简单、经济，反应速度快，具有很强的实用价值。
参考文献：
[1]胡粉娥、魏生贤、陶昌等，实用太阳能低温热水地板辐射采暖系统设计[J].可再生能源，2010，28（1）：85-88
[2]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
[3]周志敏、纪爱华，太阳能光伏发电系统设计与应用实例[M].电子工业出版社，2010：89.
[4]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.
[5]王冠、黄熙、王鹰，Verilog HDL与数字电路设计[M].机械工业出版社，2006：300-330.