基于FPGA新型太陽能發(fā)電控制器的硬件實現(xiàn)

胡廣洲 張春志 張爾東

【摘要】 介紹了一種基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)芯片（EP4C15F17C8）為核心的新型太陽能發(fā)電控制器，闡述了控制器的整體設(shè)計過程，對充放電電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并給出了控制器的各項性能指標(biāo)；結(jié)果表明，此控制器具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、精度高等特點，各項性能指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，可以滿足實際需要。

【關(guān)鍵詞】 太陽能發(fā)電 控制器 FPGA

引言

太陽能作為可再生能源，被越來越多的國家所重視；獲取太陽能的方式主要是通過太陽能電池板把光能轉(zhuǎn)換為電能。太陽能可再生、綠色純凈無污染，符合各國所倡導(dǎo)的可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。

許多發(fā)達(dá)國家對太陽能的利用已基本實現(xiàn)了規(guī)?；?，但在我國，太陽能發(fā)電的使用主要還集中在電力輸送不發(fā)達(dá)的地區(qū)，或是交通不便的邊遠(yuǎn)地區(qū)。太陽能發(fā)電的核心是太陽能發(fā)電控制器，控制器的主要作用是，對蓄電池充放電過程的控制，當(dāng)出現(xiàn)過充、過放以及負(fù)載過載或短路情況出現(xiàn)時，提供有效的保護(hù)或報警[1]。

一、控制器的結(jié)構(gòu)

太陽能發(fā)電系統(tǒng)是否穩(wěn)定，是由控制器的性能決定的。本控制器以FPGA作為核心控制器件。整體框圖如圖1所示。

控制器的蓄電池采用多組串聯(lián)的方式進(jìn)行連接，額定電壓達(dá)到50V；防雷電路采用擊穿電壓達(dá)到80V左右的瞬態(tài)電壓抑制（雙向TVS）二極管，實際使用保護(hù)效果突出?？刂破髂苤鲃訉崟r采集蓄電池的充放電電流參數(shù)，參數(shù)的采集是通過分流器實現(xiàn)的，F(xiàn)PGA對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，把計算得出的實際電流顯示在LED屏上；同時可根據(jù)此參數(shù)來判斷負(fù)載是否過載或短路。

溫度傳感器會采集系統(tǒng)周圍的溫度參數(shù)，然后傳送給 FPGA，F(xiàn)PGA對這個參數(shù)處理后，控制相應(yīng)的傳感器對其進(jìn)行相應(yīng)的溫度補(bǔ)償[2]。

二、 控制器電路分析

2.1 FPGA最小系統(tǒng)

2.1.1 選擇FPGA

本控制器選擇的是60nm的FPGA-CycloneIV系列的EP4C15F17C8。這款芯片采用經(jīng)過優(yōu)化的60-nm低功耗工藝。最新一代器件降低了內(nèi)核電壓，與前一代產(chǎn)品相比，總功耗降低了25%。

2.1.2 FPGA配置芯片選擇及配置電路設(shè)計

為了提高FPGA的數(shù)據(jù)處理性能，選擇一片具有64 Mbits的閃存、具有ISP以及不限次重復(fù)編程功能的EPCS64作為FPGA的配置芯片。支持JTAG邊界掃描，配置電壓為3.3V。

本系統(tǒng)采用的配置方式為AS模式（主動串行）[3]。

2.1.3 電源模塊、電流采樣及電壓采樣模塊分析

太陽能電池板在給蓄電池充電過程中，會出現(xiàn)一個浮充電狀態(tài)，此狀態(tài)下，蓄電池電壓會產(chǎn)生較大的紋波；所以在設(shè)計控制器的電源時，要考慮到這個紋波對整個控制系統(tǒng)的影響。

控制器是通過對蓄電池組電壓的判斷，來決定是否開啟太陽能發(fā)電系統(tǒng)，對蓄電池組進(jìn)行充電。

通過對充放電回路中分流器端電壓的采集，計算出回路中電流的大小[4]。

三、結(jié)束語

經(jīng)過多次測試，隨機(jī)抽取其中四組數(shù)據(jù)，如表1所示。

日期：2015年9月。

地點：哈爾濱市。

溫度：白天27-33℃，晚上17-25℃。

表1 隨機(jī)抽取的4組數(shù)據(jù)

太陽能發(fā)電控制器作為太陽能發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，其性能的好壞直接影響到發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和可靠性；所以，整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計與軟件編程以及調(diào)試尤為重要。本設(shè)計能夠延長蓄電池模塊的使用壽命，發(fā)電效率得到了提高并穩(wěn)定持續(xù)，具有推廣使用的價值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 張鵬，王興君，王松林.小功率智能型太陽能控制器的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2007（18）

[2] 王鶴，楊宏，王雪冬，潘月清，段景漢，王鴻麟.延長閥控密封鉛酸蓄電池壽命研究--過充電保護(hù)與溫度補(bǔ)償特性[J].電源技術(shù).2001（03）

[3] EDA先鋒工作室，吳繼華，王誠.Altera FPGA/CPLD設(shè)計（高級篇）[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[4] 沙占友，李學(xué)芝，邱凱等.新型特種集成電源及應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，1999.