基于FPGA的太阳能MPPT算法实现的研究

发表时间：2018-09-18T20:57:45.987Z 来源：《基层建设》2018年第23期 作者： 王东

[导读] 摘要：当前普遍应用到的一种太阳能发电系统控制算法即为最大功率点跟踪（MPPT），通常情况下，系统的实现是通过微控制单元这一渠道完成。

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摘要：当前普遍应用到的一种太阳能发电系统控制算法即为最大功率点跟踪（MPPT），通常情况下，系统的实现是通过微控制单元这一渠道完成。这种情况下，本文采取现场可编程门阵列（FPGA），使得获得到的太阳能最大功率点跟踪电路具有更好的经济性，另外对于构成系统硬件的情况进行分析，探究各功能部分接口的情况等内容。通过实施Verilog语言，达到获得ADC控制器以及最大功率点跟踪算法、PWM波波形发生器等目标，之后展开严谨的仿真设计电路，所应用的方式即为Modelsim，最后展开下载，也就是基CycloneII系列EP2C8Q208C8芯片基础上完成这一过程。通过展开完整严密的实验，结果显示能够使得电路在一种健康平稳的状态中运行，此设计具有一定的科学性以及合理性，能够提供给有效的控制太阳能发电系统系统级芯片重要的依据。 关键词：现场可编程门阵列；最大功率点跟踪；太阳能发电

在世界能源危机不断加重的情况下，人们越加的重视开发和应用太阳能绿色资源。太阳能的优势诸多，包括具有丰富的储量以及广阔的分布、具有较高的经济性能以及清洁的环境状态等等，所以是人们广泛推崇发展的一项事业。怎样高质高效的将太阳能发电效率进行增强，获得到最大化的利用，已经是当前重点研究的方向。 一、研究概况

在人类社会的生存以及发展中，能源不可或缺，太阳能之所以在世界范围内均获得到高度的重视，是因为其具备较多的实际优势，其中最主要的一项莫过于其零污染。将太阳能发电效率进行提升并且有效的减少成本支出的重要方式，即为建立在控制技术和电力电子技术的最大功率点跟踪（MPPT）基础上的策略。最大功率点跟踪系统经对于电气模块工作实际情况展开科学的调节，能够推动太阳能电池产生大量电能并输出。现场可编程门阵列（FPGA）控制逻辑的完成是通过硬件所实现，其也存在典型的优势特征，即主要包含了较高的可靠性、较短的周期，以及多样化的形式和较高的集成度。在现场可编程门阵列构成中的Cyclone 系列产品中，Cyclone II 系列器件属于第二代产品，相较于第一代产品而言，第二代产品的主要特征就是降低了成本，并且明显的提升了逻辑容量，超出了三倍之多。在诸多的领域中均具有良好的应用，例如在工业上、电信以及无线、汽车行业等等领域，应用的价值巨大。

在采取CycloneII 系列 FPGA 的EP2C8Q208C8 芯片基础上，能够获得到科学的设计乘法器以及ADC采样控制器、最大功率点跟踪算法跟PWM 波波形发生器模块的目标。以上的模块能够有效的结合太阳能电池板以及DC/DC和A/D 变换等，最终产生统一的太阳能发电系统。

二、系统的构成和原理分析

系统的构成方面包括以下的内容：太阳能电池板、DC/DC、PWM、最大功率点跟踪、乘法器、A/D控制和现场可编程门阵列等。主要的原理即为：太阳能电池经过一定的渠道进行供给负载电能，这一途径即为DC/DC；经现场可编程门阵列所形成乘法器，实施功率计算A/D 转换器具有的电压电流值，并且在最大功率点跟踪模块进行输入进结果；通过最大功率点跟踪模块，对PWM波输出占空比实施科学的控制，基础就是按照对应的算法完成；接下来，经外围驱动芯片对于 MOSFET管导通时间进行控制，其存在于DC/DC模块之内，最终获得到太阳能电池的最大功率点跟踪的目标，并且是实时的跟踪效果。在整个过程中，现场可编程门阵列可以完成的项目较多，包括最大功率点跟踪算法以及A/D控制器、PWM模块和硬件乘法器，并且成本较低。 三、数据采集模块

对于数据采集来说，系统对其并不会产生较高的要求，诸如无严格的实时性标准，数据采集所应用到的是八位A/D变换器ADC0809，主要是经现场可编程门阵列方式，达到控制A/D变换器的目标。

首先，在设计数据采集模块接口方面上。八位A/D变换器ADC0809的构成涉及到8路模拟开关、A/D转换器以及地址锁存译码器、三态输出锁存器。并且多路开关能够让8路模拟量进行分时的输入进，在进行转换的过程中，是实施A/D转换器完成。其次，在设计ADC0809控制逻辑方面上。遵循ADC0809时序图构建起控制时序，就是A/D控制逻辑重要功效。在系统内部，实施功率计算获得到电流值以及电压值必须要最大限度的减小间隔时间，通常是应用微妙级。如果是两次电压和电流值采样，则应该适当的增加间隔时间，即采取毫秒级。通过制定相应的ADC控制逻辑状态转换图，结束采样的主要标志即为信号READY=1，这时乘法器能够对于数据内容展开读取，之后进行相应的计算得到结果。其中，FF是延时标志信号，为临近两次采样之间所增设的延时，如果想更改延时，主要是经变化task模块计数器大小实现，而且通过工程实际需求，对于延时的长短情况展开决定。实施仿真期间，通常是进行设计较小状态的采样时间间隔，因为可以更加便利的对于波形展开观察以及分析。

四、最大功率点跟踪算法模块以及PWM产生模块

绘制出相应的光照强度各异状态中太阳能电池板P-V特性曲线。如果某时间段的系统工作存在于曲线B附近处，那么在削弱光照强度期间，系统会在B´点部位进行移动，而且移动的方式就是沿曲线过度，这时就会同最大功率点相比较具有明显的偏差。这一时刻功率值同之前相比较显著降低。如果占空比变化方向表示的形式是flag=1flag，则增加占空比往方向变化的数值即为flag=1，而如果进一步的提升PWM占空比输出，即为flag=0。在功率继续的降低情况下，遵循标准的算法，形成最大功率点方向并不是正确的举措，应该对于方向进行变化。也就是flag取反为零，明显的降低PWM占空比以及削弱电压，就会相应的提升功率。在没有发现最大功率点的情况下，也会继续减少占空比，在功率差别同设定误差范围相比较小的情况下停止，并且系统是临近于A点部位的也就是最下面曲线上进行工作。

为了有效的将电路进行简化，PWM模块的实现是采取计算器的方式完成。通过构建起八位二进制计数器，在计算器数值是DH值以下的情况下，高电平是通过psout 输出；如果计算器数值是DH值以上的情况下，则低电平是通过psout 输出。所以，通过将DH数值进行变化，可以对PWM占空比展开合理的变化，并且在更改了计数器位数的基础上，可以实现PWM周期的调整。

最后的实验波形，绘制出光照强度由弱变强之后再变弱情况下，系统PWM输出波形的改变过程，结果显示，在提升光照强度的情况下，会相应增加PWM 输出占空比；而且在减小光照强度的情况下，相应的产生降低效果。此种结果相同于算法仿真，具有可靠性。 结语

在太阳能电池最大功率跟踪上，通过实施CycloneII系列EP2C8Q208C8，能够良好的实现各种功能模块，诸如控制算法以及数据采集等等，并且最后的实验证明，存在较高的控制作用，另外具有较高的经济效益，减少成本支出，是提供给太阳能发电系统级芯片控制重要的依据，现实意义巨大。 参考文献：

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