楊秀增

（廣西民族師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，廣西 崇左 532200）

基于FPGA的光伏MPPT控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊秀增

（廣西民族師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，廣西 崇左 532200）

為驗(yàn)證基于FPGA的光伏最大功率跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用效果，采用SOPC和FPGA技術(shù)，設(shè)計(jì)一款光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制系統(tǒng)。采用Altera公司的Quartus II軟件開發(fā)SOPC光伏控制系統(tǒng)，通過三點(diǎn)比較MPPT控制算法提高最大功率跟蹤穩(wěn)定性。根據(jù)Avalon總線IP核的設(shè)計(jì)方法，利用Verilog HDL硬件描述語言設(shè)計(jì)光伏MPPT控制IP核，通過帶有EP4CE6F17C8開發(fā)板進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：基于FPGA設(shè)計(jì)的光伏MPPT控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能動(dòng)態(tài)地跟蹤光伏電池的最大功率點(diǎn)的變化，具有響應(yīng)速度快、可靠性高和易于升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中。

光伏電池；最大功率點(diǎn)跟蹤控制器；現(xiàn)場可編程門陣列；三點(diǎn)比較MPPT算法；IP核

0 引 言

隨著世界能源危機(jī)加劇和人類生存環(huán)境日益惡化，太陽能綠色能源的開發(fā)，得到了人們的廣泛關(guān)注和重視[1]。光伏發(fā)電是太陽能利用的重要方式，也是解決當(dāng)前能源短缺問題和環(huán)境問題的重要手段之一[1-2]。但由于光伏電池的電氣特性對(duì)光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的變化敏感[3-4]，使得光伏電池輸出功率呈現(xiàn)非線性特點(diǎn)。因此，如何根據(jù)環(huán)境因素的變化跟蹤光伏電池的最大功率點(diǎn)[5-10]變化，對(duì)于提高光伏系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)光伏系統(tǒng)的最大功率跟蹤（MPPT）問題做了大量研究工作，提出很多MPPT算法。文獻(xiàn)[5]根據(jù)光伏電池的輸出特性和數(shù)學(xué)模型，提出一種采用閾值電流和微變步長擾動(dòng)法的開路電壓和短路電流相結(jié)合的MPPT算法；文獻(xiàn)[6]針對(duì)定步長擾動(dòng)觀察法存在的不足，提出一種基于電流預(yù)測控制的自適應(yīng)變步長最大功率跟蹤方法；文獻(xiàn)[7]融合恒定電壓法與擾動(dòng)觀察法的優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合大步長擾動(dòng)法和小步長擾動(dòng)法，提出了一種改進(jìn)的電壓自尋優(yōu)擾動(dòng)觀察法；文獻(xiàn)[8]針對(duì)擾動(dòng)觀察法在最大功率點(diǎn)附近出現(xiàn)振蕩問題，提出一種零均值電導(dǎo)增量最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法；文獻(xiàn)[9-10]針對(duì)光伏陣列的功率輸出在局部陰影情況下，出現(xiàn)多個(gè)局部功率極值點(diǎn)的特性，提出基于粒子群優(yōu)化算法的MPPT算法。

為了驗(yàn)證基于FPGA的光伏最大功率跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用效果，本文利用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），采用三點(diǎn)比較MPPT算法，設(shè)計(jì)一款光伏系統(tǒng)MPPT控制系統(tǒng)[11-13]。經(jīng)測試表明，該控制系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、可靠性高和易于升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于光伏系統(tǒng)中。

1 三點(diǎn)比較MPPT算法

常見的最大功率跟蹤算法有：恒定電壓法、擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法等。恒定電壓法雖然跟蹤速度快，但穩(wěn)定性較差，當(dāng)溫度迅速變化，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)跟蹤失敗情況[11]；擾動(dòng)觀察法簡單易于實(shí)現(xiàn)，但可靠性不高，當(dāng)光照強(qiáng)度變化時(shí)，容易發(fā)生誤判；電導(dǎo)增量法控制準(zhǔn)確度高，但實(shí)現(xiàn)成本高[11-12]。

綜合考慮以上算法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用三點(diǎn)比較MPPT算法進(jìn)行設(shè)計(jì)。該算法是針對(duì)擾動(dòng)觀察法的缺點(diǎn)而提出的一種改進(jìn)算法，其工作原理如圖1所示。假設(shè)點(diǎn)A是當(dāng)前工作點(diǎn)，并在點(diǎn)A前后分別選取B和C兩點(diǎn)作為比較點(diǎn)。由圖可知：當(dāng)前工作點(diǎn)A的位置關(guān)系有如下3種情況：1）當(dāng)關(guān)系式PC＜PA＜PB或PC＜PA≤PB成立時(shí)，說明當(dāng)前工作點(diǎn)A位于最大功率點(diǎn)（UM）的左邊；2）當(dāng)關(guān)系式PC＞PA＞PB或PC≥PA＞PB成立時(shí)，說明當(dāng)前工作點(diǎn)A位于最大功率點(diǎn)的右邊；3）當(dāng)關(guān)系式PC＜PA和PA＞PB同時(shí)成立時(shí)，說明工作點(diǎn)A位于最大功率點(diǎn)處附近。三點(diǎn)比較MPPT算法擾動(dòng)方向由A、B和C三點(diǎn)功率大小共同確定，擾動(dòng)方向?yàn)?/p>

圖1 三點(diǎn)比較MPPT算法工作原理

2 MPPT控制器設(shè)計(jì)方案

為了提高M(jìn)PPT控制功能模塊的重用性，本文將三點(diǎn)比較MPPT算法控制器設(shè)計(jì)成IP核形式。在設(shè)計(jì)過程中，采用自頂向下的模塊化設(shè)計(jì)思路，根據(jù)Avalon總線規(guī)范，將MPPT控制器IP核分成Avalon接口單元、寄存器文件和任務(wù)邏輯3大功能模塊，其設(shè)計(jì)方案如圖2所示。在Avalon接口單元中，通過定義Avalon總線接口類型及其信號(hào)，將MPPT控制模塊連接到SOPC系統(tǒng)中；在寄存器文件中定義一定數(shù)目寄存器，包括控制寄存器、采樣倍率寄存器、電流寄存器、電壓寄存器、功率寄存器和PWM占空比寄存器等；在任務(wù)邏輯中，通過定義MPPT控制模塊和A/D轉(zhuǎn)換控制模塊，實(shí)現(xiàn)MPPT控制IP核的功能，并通過應(yīng)用端口信號(hào)與外圍的AD7606芯片相連。

3 MPPT控制器設(shè)計(jì)

3.1 Avalon接口單元設(shè)計(jì)

圖2 MPPT控制器設(shè)計(jì)方案

Avalon接口單元是MPPT控制IP核的前端單元，一端通過定義Avalon接口信號(hào)線與Avalon總線相連，另一端通過內(nèi)部數(shù)據(jù)線與寄存器文件相連。Avalon接口單元的地址譯碼器，對(duì)地址信號(hào)進(jìn)行譯碼，能實(shí)現(xiàn)NiosII軟核CPU通過地址訪問寄存器。本IP核選擇Avalon-MM接口類型，定義控制信號(hào)的信息如表1所示。

表1 信號(hào)定義

3.2 內(nèi)部寄存器的定義

內(nèi)部寄存器是任務(wù)邏輯和NiosII軟核CPU的橋梁，用于保存控制指令和數(shù)據(jù)。在該控制IP核中，共定義了8個(gè)寄存器，這些寄存器的相對(duì)地址、方向和位寬等信息如表2所示。

表2 內(nèi)部存器的定義與地址分配

3.3 任務(wù)邏輯設(shè)計(jì)

任務(wù)邏輯是MPPT控制IP核的功能模塊，由MPPT控制器和A/D轉(zhuǎn)換控制器組成，并用硬件描述語言Verilog HDL來設(shè)計(jì)。

3.3.1 MPPT控制器的設(shè)計(jì)

為了提高M(jìn)PPT控制器的可靠性，本設(shè)計(jì)采用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)三點(diǎn)比較MPPT算法。三點(diǎn)比較MPPT算法實(shí)現(xiàn)過程如下：

在第1個(gè)時(shí)鐘上升沿到來時(shí)，狀態(tài)機(jī)先設(shè)置當(dāng)前工作狀態(tài)PWM模塊的占空比值DPWM；等到第2個(gè)時(shí)鐘上升沿時(shí)，狀態(tài)機(jī)讀取當(dāng)前工作狀態(tài)下的功率PA，并設(shè)置好B點(diǎn)處的PWM模塊占空比值DPWM-1；等到第3個(gè)時(shí)鐘上升沿到來時(shí)，狀態(tài)機(jī)讀取B點(diǎn)的光伏電池輸出功率功率PB并設(shè)置C點(diǎn)處的PWM模塊占空比值DPWM+1；等到第4個(gè)時(shí)鐘上升沿到來時(shí)，狀態(tài)機(jī)讀再取光伏電池輸出功率PC；等到第5個(gè)時(shí)鐘上升沿到來時(shí)，狀態(tài)機(jī)才比較PA、PB和PC三點(diǎn)功率大小，確定搜索方向：當(dāng)PC＜PA≤PB成立時(shí)，沿正方向搜索MPP，占空比值加1；當(dāng)關(guān)系式PC≥PA＞PB成立時(shí)，沿負(fù)方向搜索MPP，占空比值減1；其他關(guān)系成立時(shí)，搜索方向保持不變。

3.3.2 A/D轉(zhuǎn)換控制器設(shè)計(jì)

為了提高可控制準(zhǔn)確度，本設(shè)計(jì)采用AD7606對(duì)輸入電流和電壓進(jìn)行同步采集，它是亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)有限公司的8通道同步數(shù)據(jù)采集芯片。當(dāng)芯片的兩個(gè)CONVSTA和CONVSTB連在一起時(shí)，AD7606能同時(shí)對(duì)8路模擬信號(hào)進(jìn)行采集。在芯片A/D轉(zhuǎn)換過程中，AD7606的BUSY變?yōu)檫壿嫺唠娖剑钡睫D(zhuǎn)換結(jié)束才變低電平，A/D控制器通過檢測BUSY電平的高低，了解AD7606工作狀態(tài)。

4 實(shí)驗(yàn)測試

4.1 實(shí)驗(yàn)硬件測試平臺(tái)搭建

為了驗(yàn)證本文IP核的設(shè)計(jì)正確性，搭建如圖3所示的硬件測試平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)主要由上位機(jī)、FPGA開發(fā)板、AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、DC-DC變換器、儲(chǔ)電池、數(shù)字示波器和光伏電池組件等組成。本測試平臺(tái)采用MAX4173電流傳感器檢測光伏輸入電流，采用Altera公司的EP4CE6F17C8實(shí)現(xiàn)SOPC測試系統(tǒng)，光伏電池組件的參數(shù)為Pmax=10W，UMP=18V，Imax=0.55A，UOC=21.24V，ISC=0.611A。

圖3 測試平臺(tái)

4.2 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果分析

將驗(yàn)證好的頂層光伏系統(tǒng)FPGA程序，通過USB Blaster下載到FPGA硬件平臺(tái)中，并把光伏組件放在室外有太陽處進(jìn)行測試。測試過程中，利用數(shù)字示波器觀察光伏電池的輸出電壓、電流和功率變化關(guān)系，測試MPPT控制器的跟蹤性能。測試結(jié)果如圖4所示。從圖可以看出，在跟蹤前，光伏電池的輸出電壓、電流和輸出功率基本上保持不變，光伏電池的輸出功率大約為2.8W。當(dāng)跟蹤啟動(dòng)后，跟蹤器沿負(fù)方向跟蹤光伏電池MPP，這時(shí)光伏電池的輸出電壓變小，而光伏電池的輸出電流和輸出功率變大，大約經(jīng)過70ms，光伏電池的輸出電壓、電流和輸出功率都趨于穩(wěn)定，光伏電池的輸出功率穩(wěn)定在6.5W。因此，本MPPT控制器跟蹤時(shí)間大約為70 ms，具有響應(yīng)速度快、可靠性高優(yōu)點(diǎn)。

圖4 最大功率跟蹤效果

5 結(jié)束語

隨著能源危機(jī)加劇，太陽能光伏產(chǎn)發(fā)展迅速。為了驗(yàn)證FPGA光伏系統(tǒng)的性能，本文設(shè)計(jì)基于FPGA的光伏系統(tǒng)MPPT控制系統(tǒng)，采用Altera公司的Quartus II軟件開發(fā)硬件系統(tǒng)，利用Verilog HDL語言設(shè)計(jì)三點(diǎn)比較MPPT控制IP核。經(jīng)測試表明，利用FPGA設(shè)計(jì)的光伏MPPT控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能快速跟蹤光伏電池最大功率點(diǎn)，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

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（編輯：商丹丹）

Design and implementation of photovoltaic maximum power point tracking control system based on FPGA

YANG Xiuzeng
（Department of Physical and Electronic Engineering，Guangxi University for Nationalities，Chongzuo 532200，China）

To verify the application effect of photovoltaic maximum power point tracking system based on FPGA，SOPC and FPGA technologies are used to design a photovoltaic maximum power point tracking （MPPT） control system.Quartus II software of Altera company is applied to develop the SOPC photovoltaic control system and three-point comparison MPPT method is applied to enhance maximum power point tracking stability.According to the design method of Avalon IP core， Verilog HDL （hardware description language） is used to design the MPPT IP core of PV system and development board with EP4CE6F17C8 is used to verify the correctness of the design.The verification results show that the photovoltaic MPPT control system designed with FPGA has stable performance and can dynamically track the change of the maximum power point of photovoltaic cells， which is characterized by fast response speed， high reliability and easy upgrading，thus it can be used in photovoltaic power generation system.

PV cell； MPPT controller； FPGA； three-point comparison MPPT method； IP core

A

1674-5124（2017）11-0108-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.11.021

2017-03-09；

2017-04-25

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61302131，61075068）；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目（2015AA08210）

楊秀增（1974-），男，湖南懷化市人，副教授，碩士，研究方向光伏應(yīng)用系統(tǒng)的集成與開發(fā)。