基于FPGA的光伏MPPT控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(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）

基于FPGA的光伏MPPT控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(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)計一款光伏電池最大功率點跟蹤（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)計方法，利用Verilog HDL硬件描述語言設(shè)計光伏MPPT控制IP核，通過帶有EP4CE6F17C8開發(fā)板進行驗證。驗證結(jié)果表明：基于FPGA設(shè)計的光伏MPPT控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能動態(tài)地跟蹤光伏電池的最大功率點的變化，具有響應(yīng)速度快、可靠性高和易于升級等優(yōu)點，可應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中。

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

0 引 言

隨著世界能源危機加劇和人類生存環(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光照強度和環(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。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[5-10]變化，對于提高光伏系統(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[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法的開路電壓和短路電流相結(jié)合的MPPT算法；文獻[6]針對定步長擾動觀察法存在的不足，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[7]融合恒定電壓法與擾動觀察法的優(yōu)點，并結(jié)合大步長擾動法和小步長擾動法，提出了一種改進的電壓自尋優(yōu)擾動觀察法；文獻[8]針對擾動觀察法在最大功率點附近出現(xiàn)振蕩問題，提出一種零均值電導(dǎo)增量最大功率點跟蹤控制方法；文獻[9-10]針對光伏陣列的功率輸出在局部陰影情況下，出現(xiàn)多個局部功率極值點的特性，提出基于粒子群優(yōu)化算法的MPPT算法。

為了驗證基于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），采用三點比較MPPT算法，設(shè)計一款光伏系統(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等優(yōu)點，可應(yīng)用于光伏系統(tǒng)中。

1 三點比較MPPT算法

常見的最大功率跟蹤算法有：恒定電壓法、擾動觀察法和電導(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)常會出現(xiàn)跟蹤失敗情況[11]；擾動觀察法簡單易于實現(xiàn)，但可靠性不高，當(dāng)光照強度變化時，容易發(fā)生誤判；電導(dǎo)增量法控制準確度高，但實現(xiàn)成本高[11-12]。

綜合考慮以上算法的優(yōu)缺點，本文采用三點比較MPPT算法進行設(shè)計。該算法是針對擾動觀察法的缺點而提出的一種改進算法，其工作原理如圖1所示。假設(shè)點A是當(dāng)前工作點，并在點A前后分別選取B和C兩點作為比較點。由圖可知：當(dāng)前工作點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，說明當(dāng)前工作點A位于最大功率點（UM）的左邊；2）當(dāng)關(guān)系式PC＞PA＞PB或PC≥PA＞PB成立時，說明當(dāng)前工作點A位于最大功率點的右邊；3）當(dāng)關(guān)系式PC＜PA和PA＞PB同時成立時，說明工作點A位于最大功率點處附近。三點比較MPPT算法擾動方向由A、B和C三點功率大小共同確定，擾動方向為

圖1 三點比較MPPT算法工作原理

2 MPPT控制器設(shè)計方案

為了提高MPPT控制功能模塊的重用性，本文將三點比較MPPT算法控制器設(shè)計成IP核形式。在設(shè)計過程中，采用自頂向下的模塊化設(shè)計思路，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，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，實現(xiàn)MPPT控制IP核的功能，并通過應(yīng)用端口信號與外圍的AD7606芯片相連。

3 MPPT控制器設(shè)計

3.1 Avalon接口單元設(shè)計

圖2 MPPT控制器設(shè)計方案

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，對地址信號進行譯碼，能實現(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，定義控制信號的信息如表1所示。

表1 信號定義

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個寄存器，這些寄存器的相對地址、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

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。

3.3.1 MPPT控制器的設(shè)計

為了提高MPPT控制器的可靠性，本設(shè)計采用狀態(tài)機實現(xiàn)三點比較MPPT算法。三點比較MPPT算法實現(xiàn)過程如下：

在第1個時鐘上升沿到來時，狀態(tài)機先設(shè)置當(dāng)前工作狀態(tài)PWM模塊的占空比值DPWM；等到第2個時鐘上升沿時，狀態(tài)機讀取當(dāng)前工作狀態(tài)下的功率PA，并設(shè)置好B點處的PWM模塊占空比值DPWM-1；等到第3個時鐘上升沿到來時，狀態(tài)機讀取B點的光伏電池輸出功率功率PB并設(shè)置C點處的PWM模塊占空比值DPWM+1；等到第4個時鐘上升沿到來時，狀態(tài)機讀再取光伏電池輸出功率PC；等到第5個時鐘上升沿到來時，狀態(tài)機才比較PA、PB和PC三點功率大小，確定搜索方向：當(dāng)PC＜PA≤PB成立時，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，沿負方向搜索MPP，占空比值減1；其他關(guān)系成立時，搜索方向保持不變。

3.3.2 A/D轉(zhuǎn)換控制器設(shè)計

為了提高可控制準確度，本設(shè)計采用AD7606對輸入電流和電壓進行同步采集，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CONVSTA和CONVSTB連在一起時，AD7606能同時對8路模擬信號進行采集。在芯片A/D轉(zhuǎn)換過程中，AD7606的BUSY變?yōu)檫壿嫺唠娖?，直到轉(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 實驗測試

4.1 實驗硬件測試平臺搭建

為了驗證本文IP核的設(shè)計正確性，搭建如圖3所示的硬件測試平臺。實驗測試平臺主要由上位機、FPGA開發(fā)板、AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、DC-DC變換器、儲電池、數(shù)字示波器和光伏電池組件等組成。本測試平臺采用MAX4173電流傳感器檢測光伏輸入電流，采用Altera公司的EP4CE6F17C8實現(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

4.2 實驗測試結(jié)果分析

將驗證好的頂層光伏系統(tǒng)FPGA程序，通過USB Blaster下載到FPGA硬件平臺中，并把光伏組件放在室外有太陽處進行測試。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)跟蹤啟動后，跟蹤器沿負方向跟蹤光伏電池MPP，這時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控制器跟蹤時間大約為70 ms，具有響應(yīng)速度快、可靠性高優(yōu)點。

圖4 最大功率跟蹤效果

5 結(jié)束語

隨著能源危機加劇，太陽能光伏產(chǎn)發(fā)展迅速。為了驗證FPGA光伏系統(tǒng)的性能，本文設(shè)計基于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)計三點比較MPPT控制IP核。經(jīng)測試表明，利用FPGA設(shè)計的光伏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，具有較好的實用價值。

[1]譚文龍，張正文，范斌，等.改進最優(yōu)梯度法在光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT中的應(yīng)用[J].黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，2016，33（5）：695-700.

[2]陳亞愛，周京華，李津，等.梯度式變步長MPPT算法在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國電機工程學(xué)報，2014，34（19）：3156-3161.

[3]趙爭鳴，雷一，賀凡波，等.大容量并網(wǎng)光伏電站技術(shù)綜述[J].電力系統(tǒng)自動化，2011，35（12）：101-107.

[4]卞海紅，徐青山，高山，等.考慮隨機陰影影響的光伏陣列失配運行特性[J].電工技術(shù)學(xué)報，2010，25（6）：104-109.

[5]高金輝，李國成.一種開路電壓和短路電流相結(jié)合的MPPT算法研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2015，43（24）：96-100.

[6]楊勇，朱彬彬，趙方平，等.一種電流預(yù)測控制的自適應(yīng)變步長最大功率跟蹤方法[J].中國電機工程學(xué)報，2014，34（6）：855-862.

[7]王川川，孫霞，錢輝,等.基于電壓自尋優(yōu)擾動的光伏MPPT算法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42（7）：142-145.

[8]董密，楊建，彭可，等.光伏系統(tǒng)的零均值電導(dǎo)增量最大功率點跟蹤控制 [J].中國電機工程學(xué)報，2010，30（21）：48-53.

[9]丁愛華，盧子廣，盧泉，等.基于改進PSO的復(fù)雜環(huán)境下光伏 MPPT 控制[J].太陽能學(xué)報，2015，36（2）：408-413.

[10]李善壽，張興，張鴻愷，等.基于功率閉環(huán)控制與PSO算法的全局MPPT方法[J].中國電機工程學(xué)報，2014，34（28）：4809-4816.

[11]王書征，李先允.一種新型自適應(yīng)擾動觀察法在光伏發(fā)電 MPPT 策略中的應(yīng)用[J].太陽能學(xué)報，2016，37（9）：2393-2340.

[12]梅真，趙熙臨，劉斐.基于CVT和INC的模型預(yù)測控制光伏 MPPT 算法[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，30（1）：8-11.

[13]劉軍，王得發(fā)，薛蓉.光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制方法的研究及改進[J].電子測量技術(shù)，2016，39（5）：10-13.

（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)基金項目（61302131，61075068）；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項目（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)。