基于FPGA的光伏MPPT控制系统设计与实现

杨秀增

（广西民族师范学院物理与电子工程学院，广西 崇左 532200）

基于FPGA的光伏MPPT控制系统设计与实现

杨秀增

（广西民族师范学院物理与电子工程学院，广西 崇左 532200）

为验证基于FPGA的光伏最大功率跟踪系统的应用效果，采用SOPC和FPGA技术，设计一款光伏电池最大功率点跟踪（MPPT）控制系统。采用Altera公司的Quartus II软件开发SOPC光伏控制系统，通过三点比较MPPT控制算法提高最大功率跟踪稳定性。根据Avalon总线IP核的设计方法，利用Verilog HDL硬件描述语言设计光伏MPPT控制IP核，通过带有EP4CE6F17C8开发板进行验证。验证结果表明：基于FPGA设计的光伏MPPT控制系统工作稳定，能动态地跟踪光伏电池的最大功率点的变化，具有响应速度快、可靠性高和易于升级等优点，可应用于光伏发电系统中。

光伏电池；最大功率点跟踪控制器；现场可编程门阵列；三点比较MPPT算法；IP核

0 引 言

随着世界能源危机加剧和人类生存环境日益恶化，太阳能绿色能源的开发，得到了人们的广泛关注和重视[1]。光伏发电是太阳能利用的重要方式，也是解决当前能源短缺问题和环境问题的重要手段之一[1-2]。但由于光伏电池的电气特性对光照强度和环境温度的变化敏感[3-4]，使得光伏电池输出功率呈现非线性特点。因此，如何根据环境因素的变化跟踪光伏电池的最大功率点[5-10]变化，对于提高光伏系统的转换效率至关重要。目前，国内外学者对光伏系统的最大功率跟踪（MPPT）问题做了大量研究工作，提出很多MPPT算法。文献[5]根据光伏电池的输出特性和数学模型，提出一种采用阈值电流和微变步长扰动法的开路电压和短路电流相结合的MPPT算法；文献[6]针对定步长扰动观察法存在的不足，提出一种基于电流预测控制的自适应变步长最大功率跟踪方法；文献[7]融合恒定电压法与扰动观察法的优点，并结合大步长扰动法和小步长扰动法，提出了一种改进的电压自寻优扰动观察法；文献[8]针对扰动观察法在最大功率点附近出现振荡问题，提出一种零均值电导增量最大功率点跟踪控制方法；文献[9-10]针对光伏阵列的功率输出在局部阴影情况下，出现多个局部功率极值点的特性，提出基于粒子群优化算法的MPPT算法。

为了验证基于FPGA的光伏最大功率跟踪系统的应用效果，本文利用现场可编程门阵列（FPGA），采用三点比较MPPT算法，设计一款光伏系统MPPT控制系统[11-13]。经测试表明，该控制系统具有响应速度快、可靠性高和易于升级等优点，可应用于光伏系统中。

1 三点比较MPPT算法

常见的最大功率跟踪算法有：恒定电压法、扰动观察法和电导增量法等。恒定电压法虽然跟踪速度快，但稳定性较差，当温度迅速变化，经常会出现跟踪失败情况[11]；扰动观察法简单易于实现，但可靠性不高，当光照强度变化时，容易发生误判；电导增量法控制准确度高，但实现成本高[11-12]。

综合考虑以上算法的优缺点，本文采用三点比较MPPT算法进行设计。该算法是针对扰动观察法的缺点而提出的一种改进算法，其工作原理如图1所示。假设点A是当前工作点，并在点A前后分别选取B和C两点作为比较点。由图可知：当前工作点A的位置关系有如下3种情况：1）当关系式PC＜PA＜PB或PC＜PA≤PB成立时，说明当前工作点A位于最大功率点（UM）的左边；2）当关系式PC＞PA＞PB或PC≥PA＞PB成立时，说明当前工作点A位于最大功率点的右边；3）当关系式PC＜PA和PA＞PB同时成立时，说明工作点A位于最大功率点处附近。三点比较MPPT算法扰动方向由A、B和C三点功率大小共同确定，扰动方向为

图1 三点比较MPPT算法工作原理

2 MPPT控制器设计方案

为了提高MPPT控制功能模块的重用性，本文将三点比较MPPT算法控制器设计成IP核形式。在设计过程中，采用自顶向下的模块化设计思路，根据Avalon总线规范，将MPPT控制器IP核分成Avalon接口单元、寄存器文件和任务逻辑3大功能模块，其设计方案如图2所示。在Avalon接口单元中，通过定义Avalon总线接口类型及其信号，将MPPT控制模块连接到SOPC系统中；在寄存器文件中定义一定数目寄存器，包括控制寄存器、采样倍率寄存器、电流寄存器、电压寄存器、功率寄存器和PWM占空比寄存器等；在任务逻辑中，通过定义MPPT控制模块和A/D转换控制模块，实现MPPT控制IP核的功能，并通过应用端口信号与外围的AD7606芯片相连。

3 MPPT控制器设计

3.1 Avalon接口单元设计

图2 MPPT控制器设计方案

Avalon接口单元是MPPT控制IP核的前端单元，一端通过定义Avalon接口信号线与Avalon总线相连，另一端通过内部数据线与寄存器文件相连。Avalon接口单元的地址译码器，对地址信号进行译码，能实现NiosII软核CPU通过地址访问寄存器。本IP核选择Avalon-MM接口类型，定义控制信号的信息如表1所示。

表1 信号定义

3.2 内部寄存器的定义

内部寄存器是任务逻辑和NiosII软核CPU的桥梁，用于保存控制指令和数据。在该控制IP核中，共定义了8个寄存器，这些寄存器的相对地址、方向和位宽等信息如表2所示。

表2 内部存器的定义与地址分配

3.3 任务逻辑设计

任务逻辑是MPPT控制IP核的功能模块，由MPPT控制器和A/D转换控制器组成，并用硬件描述语言Verilog HDL来设计。

3.3.1 MPPT控制器的设计

为了提高MPPT控制器的可靠性，本设计采用状态机实现三点比较MPPT算法。三点比较MPPT算法实现过程如下：

在第1个时钟上升沿到来时，状态机先设置当前工作状态PWM模块的占空比值DPWM；等到第2个时钟上升沿时，状态机读取当前工作状态下的功率PA，并设置好B点处的PWM模块占空比值DPWM-1；等到第3个时钟上升沿到来时，状态机读取B点的光伏电池输出功率功率PB并设置C点处的PWM模块占空比值DPWM+1；等到第4个时钟上升沿到来时，状态机读再取光伏电池输出功率PC；等到第5个时钟上升沿到来时，状态机才比较PA、PB和PC三点功率大小，确定搜索方向：当PC＜PA≤PB成立时，沿正方向搜索MPP，占空比值加1；当关系式PC≥PA＞PB成立时，沿负方向搜索MPP，占空比值减1；其他关系成立时，搜索方向保持不变。

3.3.2 A/D转换控制器设计

为了提高可控制准确度，本设计采用AD7606对输入电流和电压进行同步采集，它是亚德诺半导体技术有限公司的8通道同步数据采集芯片。当芯片的两个CONVSTA和CONVSTB连在一起时，AD7606能同时对8路模拟信号进行采集。在芯片A/D转换过程中，AD7606的BUSY变为逻辑高电平，直到转换结束才变低电平，A/D控制器通过检测BUSY电平的高低，了解AD7606工作状态。

4 实验测试

4.1 实验硬件测试平台搭建

为了验证本文IP核的设计正确性，搭建如图3所示的硬件测试平台。实验测试平台主要由上位机、FPGA开发板、AD7606模数转换模块、DC-DC变换器、储电池、数字示波器和光伏电池组件等组成。本测试平台采用MAX4173电流传感器检测光伏输入电流，采用Altera公司的EP4CE6F17C8实现SOPC测试系统，光伏电池组件的参数为Pmax=10W，UMP=18V，Imax=0.55A，UOC=21.24V，ISC=0.611A。

图3 测试平台

4.2 实验测试结果分析

将验证好的顶层光伏系统FPGA程序，通过USB Blaster下载到FPGA硬件平台中，并把光伏组件放在室外有太阳处进行测试。测试过程中，利用数字示波器观察光伏电池的输出电压、电流和功率变化关系，测试MPPT控制器的跟踪性能。测试结果如图4所示。从图可以看出，在跟踪前，光伏电池的输出电压、电流和输出功率基本上保持不变，光伏电池的输出功率大约为2.8W。当跟踪启动后，跟踪器沿负方向跟踪光伏电池MPP，这时光伏电池的输出电压变小，而光伏电池的输出电流和输出功率变大，大约经过70ms，光伏电池的输出电压、电流和输出功率都趋于稳定，光伏电池的输出功率稳定在6.5W。因此，本MPPT控制器跟踪时间大约为70 ms，具有响应速度快、可靠性高优点。

图4 最大功率跟踪效果

5 结束语

随着能源危机加剧，太阳能光伏产发展迅速。为了验证FPGA光伏系统的性能，本文设计基于FPGA的光伏系统MPPT控制系统，采用Altera公司的Quartus II软件开发硬件系统，利用Verilog HDL语言设计三点比较MPPT控制IP核。经测试表明，利用FPGA设计的光伏MPPT控制系统工作稳定，能快速跟踪光伏电池最大功率点，具有较好的实用价值。

[1]谭文龙，张正文，范斌，等.改进最优梯度法在光伏发电系统MPPT中的应用[J].黑龙江大学自然科学学报，2016，33（5）：695-700.

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[3]赵争鸣，雷一，贺凡波，等.大容量并网光伏电站技术综述[J].电力系统自动化，2011，35（12）：101-107.

[4]卞海红，徐青山，高山，等.考虑随机阴影影响的光伏阵列失配运行特性[J].电工技术学报，2010，25（6）：104-109.

[5]高金辉，李国成.一种开路电压和短路电流相结合的MPPT算法研究[J].电力系统保护与控制，2015，43（24）：96-100.

[6]杨勇，朱彬彬，赵方平，等.一种电流预测控制的自适应变步长最大功率跟踪方法[J].中国电机工程学报，2014，34（6）：855-862.

[7]王川川，孙霞，钱辉,等.基于电压自寻优扰动的光伏MPPT算法[J].电子技术应用，2016，42（7）：142-145.

[8]董密，杨建，彭可，等.光伏系统的零均值电导增量最大功率点跟踪控制 [J].中国电机工程学报，2010，30（21）：48-53.

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[11]王书征，李先允.一种新型自适应扰动观察法在光伏发电 MPPT 策略中的应用[J].太阳能学报，2016，37（9）：2393-2340.

[12]梅真，赵熙临，刘斐.基于CVT和INC的模型预测控制光伏 MPPT 算法[J].湖北工业大学学报，2015，30（1）：8-11.

[13]刘军，王得发，薛蓉.光伏发电系统MPPT控制方法的研究及改进[J].电子测量技术，2016，39（5）：10-13.

（编辑：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

国家自然科学基金项目（61302131，61075068）；广西科学研究与技术开发项目（2015AA08210）

杨秀增（1974-），男，湖南怀化市人，副教授，硕士，研究方向光伏应用系统的集成与开发。