基于FPGA的光伏MPPT控制系統設計與實現

楊秀增

（廣西民族師范學院物理與電子工程學院，廣西 崇左 532200）

基于FPGA的光伏MPPT控制系統設計與實現

楊秀增

（廣西民族師范學院物理與電子工程學院，廣西 崇左 532200）

為驗證基于FPGA的光伏最大功率跟蹤系統的應用效果，采用SOPC和FPGA技術，設計一款光伏電池最大功率點跟蹤（MPPT）控制系統。采用Altera公司的Quartus II軟件開發SOPC光伏控制系統，通過三點比較MPPT控制算法提高最大功率跟蹤穩定性。根據Avalon總線IP核的設計方法，利用Verilog HDL硬件描述語言設計光伏MPPT控制IP核，通過帶有EP4CE6F17C8開發板進行驗證。驗證結果表明：基于FPGA設計的光伏MPPT控制系統工作穩定，能動態地跟蹤光伏電池的最大功率點的變化，具有響應速度快、可靠性高和易于升級等優點，可應用于光伏發電系統中。

光伏電池；最大功率點跟蹤控制器；現場可編程門陣列；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境日益惡化，太陽能綠色能源的開發，得到了人們的廣泛關注和重視[1]。光伏發電是太陽能利用的重要方式，也是解決當前能源短缺問題和環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境溫度的變化敏感[3-4]，使得光伏電池輸出功率呈現非線性特點。因此，如何根據環境因素的變化跟蹤光伏電池的最大功率點[5-10]變化，對于提高光伏系統的轉換效率至關重要。目前，國內外學者對光伏系統的最大功率跟蹤（MPPT）問題做了大量研究工作，提出很多MPPT算法。文獻[5]根據光伏電池的輸出特性和數學模型，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測控制的自適應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點，并結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振蕩問題，提出一種零均值電導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，出現多個局部功率極值點的特性，提出基于粒子群優化算法的MPPT算法。

為了驗證基于FPGA的光伏最大功率跟蹤系統的應用效果，本文利用現場可編程門陣列（FPGA），采用三點比較MPPT算法，設計一款光伏系統MPPT控制系統[11-13]。經測試表明，該控制系統具有響應速度快、可靠性高和易于升級等優點，可應用于光伏系統中。

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、擾動觀察法和電導增量法等。恒定電壓法雖然跟蹤速度快，但穩定性較差，當溫度迅速變化，經常會出現跟蹤失敗情況[11]；擾動觀察法簡單易于實現，但可靠性不高，當光照強度變化時，容易發生誤判；電導增量法控制準確度高，但實現成本高[11-12]。

綜合考慮以上算法的優缺點，本文采用三點比較MPPT算法進行設計。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。假設點A是當前工作點，并在點A前后分別選取B和C兩點作為比較點。由圖可知：當前工作點A的位置關系有如下3種情況：1）當關系式PC＜PA＜PB或PC＜PA≤PB成立時，說明當前工作點A位于最大功率點（UM）的左邊；2）當關系式PC＞PA＞PB或PC≥PA＞PB成立時，說明當前工作點A位于最大功率點的右邊；3）當關系式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算法控制器設計成IP核形式。在設計過程中，采用自頂向下的模塊化設計思路，根據Avalon總線規范，將MPPT控制器IP核分成Avalon接口單元、寄存器文件和任務邏輯3大功能模塊，其設計方案如圖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系統中；在寄存器文件中定義一定數目寄存器，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；在任務邏輯中，通過定義MPPT控制模塊和A/D轉換控制模塊，實現MPPT控制IP核的功能，并通過應用端口信號與外圍的AD7606芯片相連。

3 MPPT控制器設計

3.1 Avalon接口單元設計

圖2 MPPT控制器設計方案

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，另一端通過內部數據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 內部寄存器的定義

內部寄存器是任務邏輯和NiosII軟核CPU的橋梁，用于保存控制指令和數據。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 內部存器的定義與地址分配

3.3 任務邏輯設計

任務邏輯是MPPT控制IP核的功能模塊，由MPPT控制器和A/D轉換控制器組成，并用硬件描述語言Verilog HDL來設計。

3.3.1 MPPT控制器的設計

為了提高MPPT控制器的可靠性，本設計采用狀態機實現三點比較MPPT算法。三點比較MPPT算法實現過程如下：

在第1個時鐘上升沿到來時，狀態機先設置當前工作狀態PWM模塊的占空比值DPWM；等到第2個時鐘上升沿時，狀態機讀取當前工作狀態下的功率PA，并設置好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，狀態機讀取B點的光伏電池輸出功率功率PB并設置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，狀態機才比較PA、PB和PC三點功率大小，確定搜索方向：當PC＜PA≤PB成立時，沿正方向搜索MPP，占空比值加1；當關系式PC≥PA＞PB成立時，沿負方向搜索MPP，占空比值減1；其他關系成立時，搜索方向保持不變。

3.3.2 A/D轉換控制器設計

為了提高可控制準確度，本設計采用AD7606對輸入電流和電壓進行同步采集，它是亞德諾半導體技術有限公司的8通道同步數據采集芯片。當芯片的兩個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轉換過程中，AD7606的BUSY變為邏輯高電平，直到轉換結束才變低電平，A/D控制器通過檢測BUSY電平的高低，了解AD7606工作狀態。

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開發板、AD7606模數轉換模塊、DC-DC變換器、儲電池、數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SOPC測試系統，光伏電池組件的參數為Pmax=10W，UMP=18V，Imax=0.55A，UOC=21.24V，ISC=0.611A。

圖3 測試平臺

4.2 實驗測試結果分析

將驗證好的頂層光伏系統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，利用數字示波器觀察光伏電池的輸出電壓、電流和功率變化關系，測試MPPT控制器的跟蹤性能。測試結果如圖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，大約經過70ms，光伏電池的輸出電壓、電流和輸出功率都趨于穩定，光伏電池的輸出功率穩定在6.5W。因此，本MPPT控制器跟蹤時間大約為70 ms，具有響應速度快、可靠性高優點。

圖4 最大功率跟蹤效果

5 結束語

隨著能源危機加劇，太陽能光伏產發展迅速。為了驗證FPGA光伏系統的性能，本文設計基于FPGA的光伏系統MPPT控制系統，采用Altera公司的Quartus II軟件開發硬件系統，利用Verilog HDL語言設計三點比較MPPT控制IP核。經測試表明，利用FPGA設計的光伏MPPT控制系統工作穩定，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.改進最優梯度法在光伏發電系統MPPT中的應用[J].黑龍江大學自然科學學報，2016，33（5）：695-700.

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

[3]趙爭鳴，雷一，賀凡波，等.大容量并網光伏電站技術綜述[J].電力系統自動化，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].電工技術學報，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合的MPPT算法研究[J].電力系統保護與控制，2015，43（24）：96-100.

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

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

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

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

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

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

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

[13]劉軍，王得發，薛蓉.光伏發電系統MPPT控制方法的研究及改進[J].電子測量技術，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

國家自然科學基金項目（61302131，61075068）；廣西科學研究與技術開發項目（2015AA08210）

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