探究基于FPGA 的自適應光伏發電系統MPPT 控制方法

趙東亮 濮陽職業技術學院

社會在發展的同時，人們對物質的需求逐漸提升，能源問題也成為急需解決的重要問題，為了能夠維持可持續發展生態系統，可再生能源成為關注熱點。光伏發電作為一種新型的可再生能源，操作較為簡單且發電效率較高，因此可能會成為將來的主要能源獲得途徑。

一、概述

（一）光伏發電系統MPPT 技術

MPPT 即最大功率跟蹤控制裝置，能夠對光伏系統的負載進行調節，進而得到穩定的光伏發電生產效率。光伏發電的生產效率主要受溫度和光照強度影響，呈非線性關系，在恒定的溫度及光照強度下，光伏發電系統的最大輸出功率為定值。在實際生產中，為了能夠使光伏系統達到最高的生產效率，技術人員會在電池與負載之間安裝最大功率跟蹤控制裝置。MPPT 按照控制方法可以分為開環MPPT 和閉環MPPT。

（二）開環MPPT

由于溫度、光照強度和輸出功率的變化有著一定的規律關系，研究人員基于這些規律關系研發了開環MPPT 控制方法，而這其中主要涉及的有定電壓跟蹤法、差值計算法等，開環MPPT 控制方法操作較為簡單，可行性高，但由于該種方法與光伏輸出有較強的關聯性，且得到的數據并不準確，因此在實際操作中應用并不非常廣泛，且一般會和直接跟蹤法一起使用來提升操作可行性。

（三）閉環MPPT

閉環MPPT 指的則是實時測量光伏電池的輸出電壓和電流值實現最大輸出功率跟蹤控制。自尋優類算法是閉環MPPT 中的經典方法，且在實際操作中應用非常廣泛。自尋優類MPPT 算法可以分為擾動觀察法和電導增量法，通過自尋優來對光伏發電系統的電壓進行自動搜索，控制光伏發電系統的最大功率。科技發展使得模糊控制理論和人工神經理論等高科技理論在各行業中的發展逐漸完善，智能控制也取得了飛速的進步，在各行各業中也取得了一定的成果。由于智能控制適用于多樣化的工作場景，使得最大功率跟蹤領域對智能控制的應用非常廣泛。

（四）FPGA 技術

FPGA 的主要組件是HDL，HDL 也叫作硬件描述語言系統，在數據較為復雜的數字系統中應用非常廣泛，使用者能夠通過HDL 來對設計內容進行具體化的描述，為工業設計帶來了巨大的方便。VHDL 是HDL 的一種標準，由于其描述能力較強、仿真語句和函數庫豐富、獨立性較強，而被大多數的FPGA 平臺所認定，在電子設計領域應用非常廣泛。VHDL 是一種詳細化的語言描述標準，在描述過程中，系統級、行為級、寄存器傳輸級、門級等各個層級的電路情況都能被詳細地展現出來，設計師可以分層次對電路進行設計，且由于VHDL 數據類型非常豐富，還有標準自定義和用戶自定義兩種數據類型，為用戶的設計帶來了便捷。在初次設計完成后，VHDL 還能對設計結果可行性進行檢測，用戶可以隨機進行仿真模擬。

二、MPPT 控制系統設計分析

以FPGA 平臺作為基礎對光伏MPPT 控制系統進行模塊化設計，根據設計需求分為采樣控制組件、分頻器組件、寄存器組件、PWM 波產生組件、MPPT 控制組件，MPPT控制組件則是由乘法子組件、除法子組件、工作狀態判斷組件、工作區域劃分組件4 部分構成。對MPPT 控制系統進行研究，首先電壓和電流通過A/D 轉換器得到樣本信息，將樣本信息轉換為數字信息，將數字信息通過乘法子組件來得到光伏發電系統的輸出功率，MPPT 控制組件根據輸出功率及計算器的相關參數來對光伏發電系統的輸出功率進行判斷，并按照設定來進行調整，得到接下來單位時間內的占空比，并將占空比數據送入PWM 信號產生組件，完成數據輸出。

以設計MPPT 控制系統整體模塊劃分為例，可以將MPPT 控制系統劃分為三個層面。第1 層面，電壓和電流通過A/D 轉換器輸入MPPT 控制系統，經過MPPT 控制系統的數據加工得到PWM 波。第2 層面，對A/D 轉換器與PWM 波之間的組件進行分析，分頻器組件與采樣控制組件、寄存器組件、MPPT 核心控制組件相連，經過A/D 轉換器得到的電壓和電流通過A/D 采樣控制組件輸入MPPT 核心控制組件，將得到的信息輸入PWM 信號產生組件，由PWM信號產生組件得到PWM 波。第3 層面，對MPPT 核心控制組件進行分解。MPPT 核心控制組件位于A/D 采樣控制組件與PWM 信號產生組件之間，將從A/D 采樣控制組件得到的信息轉換為數據并再次轉換為信號傳輸至PWM 信號產生組件。MPPT 核心控制組件分為乘法組件、除法組件及工作狀態劃分組件、工作狀態判定組件。在進行MPPT控制系統設計時，設計師首先要對MPPT 控制系統的多層次內容進行分解，明確具體的組件內部構造，進而得到優質的MPPT 控制系統。

三、PWM 信號產生組件設計分析

由于PWM 信號產生組件直接決定了開關管的狀態，MPPT 核心控制組件輸出的數據為下一單位時間內的占空比相關數據，為了能夠對光伏系統的DC/DC 模塊進行更加準確的控制，PWM 信號產生組件就需要承擔占空比數據與高低電數據的轉換任務，同時還需要通過占空比參數來對MPPT 核心組件的輸出脈寬進行控制。PWM 信號產生組件在運行過程中一般是通過占空比數據和鋸齒波信息來進行數據處理工作，MPPT 控制組件所輸出的數據信息產生改變時，比較器發揮作用，PWM 信號產生組件輸出的數據信息，即脈沖寬度發生變化。

以設計PWM 信號產生組件為例，在設計過程中可以以鋸齒波信號的疊加統計為基礎原理。將FPGA 外接晶振的頻率設置為20MHz，得到鋸齒波信號并重復收集鋸齒波信號，將DC 組件的頻率設置為20kHz，重復1000 次數據收集。在初始時，設定數值為0，數據的寬度為10bit，此時可以得到1024 次數據，1024 次數據可以滿足1000 次數據需求，設計師也可以設置否定條件，如果數值小于等于999，則繼續下一輪數據測量，如果大于999，則將所有數據清零，通過數據收集循環清零來得到鋸齒波信息。此時可以發現占空比的波動范圍處于0 與1之間，鋸齒波的波動范圍處于1 至1000 之間。為了能夠得到脈寬數據，可以將占空比數據進行調整。占空比為1 時，鋸齒波為1000，同時達到峰值，設置占空比縮放比例為1：1000。通過對PWM 信號產生組件產生數據的分析來完成DC/DC 組件的監控控制。在對PWM 信號進行仿真處理時，設定脈寬初始占空比為20%，可以得到大概的顯示寬度為25us。隨著數據的循環累加當數據循環為1000 時，wav 信號數據信號為0，此時完成一輪循環，得到一個單位的鋸齒波信號，并重新開始下一輪單位鋸齒波信號的收集。PWM 信號產生組件所輸出的信號周期為50us，如果占空比為200，則PWM 信號產生組件所輸出的脈沖寬度為1/5，同時隨著占空比數據的上升，脈沖寬度也不斷增加，占空比數據的下降也會使脈沖寬度減少，在測試過程中不斷調整可以得到設計所需的數據。

四、MPPT 乘法子組件設計分析

乘法子組件是電路設計中常用的組件，常見的平方運算電路、導數運算電路等電路設計中都會用到乘法子組件。乘法子組件實現FPGA 一般會用三種方法。第1 種方法，將乘法運算通過加法器和移位器來進行運算，通過乘法子組件的程序來控制計算過程。這種方法的操作較為簡單，但操作過程較為啰嗦，耗時長。第2 種方法，通過硬件電路可替換軟件來對加法器和移位器進行操控，逐步完成乘法計算，第2種方法比第1 種方法的運算效率有所提升，但依舊不足以稱道。第3 種方法，在硬件電路中直接使用乘法子組件，該種方法由于省略了其他步驟，操作速度最快。FPGA平臺內部有嵌入式乘法計算硬件，還可以通過LE 來設計乘法子組件，故而可以直接使用第3 種方法。

以設計MPPT 乘法子組件為例，電壓和電流輸入MPPT 控制系統，而輸入過程中需要對電壓和電流進行處理，處理過程則要根據實際情況進行分情況討論操作。設計師可以選擇0～5V 量程的轉換器，將信號通過A/D 轉換芯片來完成數據轉換，得到寬度為8bits 的數據。8 位A/D 轉換器在操作過程中，如果電壓滿格達到5V，則轉換器此時的分辨情況約為19.6mV。此時MPPT 控制組件可以將數據信號經過乘法子組件的處理得到功率值。將功率值通過PWM 信號產生組件輸出，用于下一輪數據處理過程中的狀態判定和區域劃分。

五、結語

光伏發電作為目前可再生能源中的優質技術，操作較為簡單且可再生性強，極可能成為未來的主要能源，因此如何保障光伏發電系統的生產穩定性及提高其生產效率是研究人員應該研究的問題，本文從MPPT控制系統設計、PWM 信號產生組件設計、MPPT 乘法子組件設計三個方面進行分析，希望能夠推進我國光伏發電的發展。