第４４卷第８期２０１０年８月电力电子技术ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＶ０１．４４．Ｎｏ．８Ａｕｇｕｓｔ，２０１０基于ＦＰＧＡ的太阳能ＭＰＰＴ算法实现的研究刘艳莉，闰法彬，程泽（天津大学，天津３０００７２）摘要：最大功率点跟踪（ＭＰＰＴ）算法是太阳能发电系统常用的控制算法，大多数系统利用微控制单元（ＭＣＵ）实现。在此利用现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）实现了一种低成本的太阳能ＭＰＰＴ的电路，探讨了系统硬件的组成、各功能部分接口实现的方法。用Ｖｅｒｉｌｏｇ语言实现了ＡＤＣ控制器、乘法器、ＭＰＰＴ算法及ＰＷＭ波波形发生器．并通过Ｍｏｄｅｌｓｉｍ平台对设计电路进行了仿真，最后在ＣｙｃｌｏｎｅＩＩ系列ＥＰ２Ｃ８Ｑ２０８Ｃ８芯片上实现下载。实验结果表明电路工作正常。达到了设计要求，为太阳能发电系统的系统级芯片（ＳｏＣ）控制打下了基础。关键词：太阳能发电；最大功率点跟踪；现场可编程门阵列中图分类号：ＴＭ６１５文献标识码：Ａ文章编号：１０００－１００Ｘ（２０１０）０８－００１２－０２ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＭａｘＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇｆｏｒＰＶＢａｓｅｄｏｎＦＰＧＡＵＵＹａｎ．１ｉ，ＹＡＮＦａ．ｂｉｎ，ＣＨＥＮＧＺｅ（ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓ妇，ｒｉａｎｊｉｎ３０００７２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｂｅｏｆｔｈｅｍｔｏａｒｅａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｏｎｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇ（ＭＰＰＴ）ａｌｇｏｒｉｔｈｍａｎｅｗｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｓｏｌａｒｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ，ｂｕｔｍａｎｙｂａｓｅｄＭＣＵ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｌｏｗ－ｃｏｓｔｍｅｔｈｏｄｗｈｉｃｈｕｔｉｌｉｚｅｓｆｉｅｌｄｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｓｗａｖｅａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）ａｃｈｉｅｖｅｓｏｌａｒｍａｙ．ｉｎｌｕｌｎｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔ．ｈｄｉｓｃｕｓｓｅｓｈａｒｄｗａｒｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｅｌｌａ８ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｗａｙｃｏｍｐｌｅｔｅｄｂｙｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅｓ．ＴｈｅＡＤＣｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｍｕｌｆｉｐｈｅｒ，ＭＰＰＴａｌｇｏｒｉｔｈｍａｎｄＶｅｒｉｌｏｇｏｎＰＷＭｔｏｇｅｎｅｒａｔｏｒａｒｅＱｕａｒｔｕｓｌＩ６．０，ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｎｅｗｏｎｔｈｅＭｏｄｅｌｓｉｍａｎｄｄｏｗｎｌｏａｄｉｎｇｔｈｅｄｅｓｉｇｎＣｙｃｌｏｎｅＩＩｓｅｒｉｅｓＥＰ２Ｃ８Ｑ２０８Ｃ８ｃｈｉｐ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈｅａｓａｓｙｓｔｅｍｗｏｒｋｓｗｅｌｌａｎｄａｃｈｉｅｖｅｓｔｈｅｅｘｐｅｃｔｅｄｇｏａｌ．Ｔｏｓｏｍｅｅｘｔｅｎｄ，ｉｔａｌｓｏＣａｎｂｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆｓｏｌａｒｐｏｗｅｒｇｅｎｅｍｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎ￥ｏＣ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｌａｒｐｏｗｅｒｇｅｎｅｍｆｉｏｎ；ｍａｘｉｘｎｕｎｌｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇ；ｆｉｅｌｄｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｔｅａｒｒａｙＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＰｒｏｊｅｃｔ：ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＴｉａｎｊｉｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＳｕｐｐｏｒｔｅｄＰｒｏｇｒａｍ（Ｎｏ．０９ＺＣＧＹＧＸ０１１００）１引言２系统组成及原理如图ｌ所示．太阳能电池经ＤＣ／ＤＣ变换供给负能源是人类社会得以存在和发展的基础。太阳能作为一种新型零污染的能源得到了世界各国的重视。基于控制技术和电力电子技术的最大功率点跟载电能。由ＦＰＧＡ构成的乘法器将Ａ巾转换器采集的电压电流值进行功率计算．将结果输入ＭＰＰＴ模块，由ＭＰＰＴ模块根据相应算法在线控制ＰＷＭ波输出的占空比．并通过外围驱动芯片控制ＤＣ／ＤＣ模块中ＭＯＳＦＥＴ管的导通时间．进而实时跟踪太阳能电池的最大功率点。其中Ａ／Ｄ控制器、ＭＰＰＴ算法、硬件乘法器、ＰＷＭ模块都由低成本的ＦＰＧＡ实现。踪（ＭＰＰＴ牒略是提高太阳能发电效率。降低成本的有效方法【１１。ＭＰＰＴ系统通过调节电气模块的工作状态，使太阳能电池可以输出更多的电能闭。现场可编程门阵列（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ，简称ＦＰＧＡ）控制逻辑由硬件完成，具有开发周期短、速度快、形式灵活、集成度和可靠性高等优点。作为ＦＰＧＡ家族中的一员，ＣｙｃｌｏｎｅＩＩ系列器件是Ｃｙｃｌｏｎｅ系列的第２代产品。其成本比第ｌ代Ｃｙｃｌｏｎｅ器件低３０％。逻辑容量大３倍多，广泛应用于消费电子、电信和无线、计算机外设、工业和汽车行业。使用ＣｙｃｌｏｎｅＩＩ系列ＦＰＧＡ的ＥＰ２Ｃ８Ｑ２０８Ｃ８芯片。实现了ＡＤＣ采样控制器、乘法器、ＭＰＰＴ算法、ＰＷＭ模块的设计。这些模块与ＤＣ／ＤＣ和Ａ／Ｄ变换、太阳能电池板、负载等部件结合构成太阳能发电系统。｝一露二护１ｉ匝回匦匿办—徊｛ｉ匝鱼＇—｛蛰Ｆｐｎ＾倒Ｉ３数据采集模块由于系统对数据采集的实时性要求不高，数据采集选用８位ＭＤ变换器ＡＤＣ０８０９．对Ａ巾变换器的控制通过ＦＰＧＡ实现。３．１数据采集模块接口设计１３１８位逐次逼近型Ａ／Ｄ转换器ＡＤＣ０８０９由８路模拟开关、地址锁存译码器、ＭＤ转换器和三态输出锁存器组成。多路开关可选通８个模拟通道，允许８路模拟量分时输入。共用Ａ／Ｄ转换器进行转换。基金项目：天津市科技支撑重点项目（０９ＺＣＧＹｃ）【ｏｌｌ００）定稿日期：２０１０－０ｌ—０４作者简介：刘艳莉（１９５９一），女，山西汾阳人，硕士，副教授，研究方向为模式识剐、电工理论新技术。１２万方数据基于Ｆ’ＰＧＡ的太阳能ＭＰＦｒｒ算法实现的研究３．２ＡＤＣ０８０９控制逻辑的设计Ａ／Ｄ控制逻辑的主要作用是根据ＡＤＣ０８０９的时序图，产生相应的控制时序。系统中用于功率计算所采集的电压和电流值为分时采样。所以要求电压和电流采样的时间间隔尽可能小。一般为微秒级。而两次电压、电流值采样时间的间隔可以相应的大一些，一般为毫秒级。图２示出ＡＤＣ控制逻辑的状态转换图。当采样结束信号标志信号ＲＥＡＤＹ＝Ｉ时说明采样结束．乘法器可以读取数据进行计算。－嬲系国逦耀．ｓＴ为开始采样信号：ＡＬＥ为地址锁存；ＡＤＤＡ为通道选择ＥＯＣ为转换结束信号：ＯＥ为数据输出使能信号；ＦＦ为延时标志信号图２采样控制状态转换ＦＦ是在相邻的两次采样之间加入了一定的延时，可以通过改变ｔａｓｋ模块计数器（ｄｅｌａｙ＿ｃｎｔ）的大小来改变延时的长短．延时长短由具体的工程要求决定（在仿真时为便于观察波形，采样时间的间隔设计得较小，为几十个时钟周期）。４ＭＰＩ＇ｒＩ．算法模块与ＰＷＭ产生模块图３示出太阳能电池板在不同光照强度下的Ｐ．Ｖ特性曲线。假设某一时刻系统工作在曲线的Ｂ点附近，当光照强度减弱时，系统将沿着曲线移动到Ｂ’点，显然偏离了最大功率点，该时刻系统采集的功率值Ｂ将小于上一时刻的功率尸１，假设这时的ｎａｇ＝ｌ（ｆｌａｇ在程序中用来指示占空比变化的方向，当ｆｌｇ＝ｌ时，占空比往增大的方向变化：当ｆｌａｇ＝０时则相反），则输出ＰＷＭ的占空比将进一步增大。Ｐ图３不同光照强度下的Ｐ．Ｖ特性曲线由图３可知，功率还将进一步减小。这时按照算法寻找最大功率点的方向是错误的。需改变寻找方向，ｆｌａｇ将取反为零，ＰＷＭ的占空比将减小，电压减小，功率增大。若未寻到最大功率点，则占空比还将进一步减小，直到功率的差别小于设定的误差范围，最后系统将在Ａ点附近工作。反之，若太阳的光照强度变强，则工作点由Ｂ点变到∥．也会通过改变ＰＷＭ占空比的大小，最终工作在Ｃ点附近。图４为ＭＰＰＴ算法流程，采用ＶＥＲＩＬＯＧ语言实现。为简化电路，ＰＷＭ模块通过计数器实现。设计了一个８位二进制的计数器，当计数器的值小于ＤＨ的值时，ｐｓｏｕｔ输出高电平，反之则输出低电平，万方数据因此只需改变ＤＨ的数值就能改变ＰＷＭ的占空比，而改变计数器的位数就能改变ＰＷＭ的周期。申《喜籼富图４ＭＰＰＴ算法流程５实验波形图５示出当光照强度由弱变强再变弱时系统ＰＷＭ输出波形变化过程。由图５ａ，ｂ的变化可见，随着光照强度的增强，ＰＷＭ输出的占空比是增大的；由图５ｂ，Ｃ的变化可见，随着光照强度的减弱，ＰＷＭ输出的占空比是减小的，这与算法仿真的结果一致。ｔ／（２５０ｕｓ／格）（ａ１光照强度较弱…！；。Ｉ【兰蜩．ｉ．畦风．．．０｜：：ｔ１（２５０ｕｓ，格）ｔ／（２５０ｕｓ／鞯）（ｂＪ光照强度变强（ｃ）光照烈度斤变弱图５示波器截取的ＰＷＭ输出波形６结论将ＣｙｃｌｏｎｅＩＩ系列的ＥＰ２Ｃ８Ｑ２０８Ｃ８应用于太阳能电池最大功率跟踪方面，完成了数据采集、控制算法、ＰＷＭ等功能模块．通过实验证明具有很好的控制效果，且降低了系统的成本，为太阳能发电系统的系统级芯片控制打下了基础。参考文献【１】贺雪晨，马松涛．ＤＥＳ算法在低成本ＦＰＧＡ—Ｃｙｃｌｏｎｅ上的实现叨．上海电力学院学报，２００８，２４（２）：１５４－１５６．【２】ＲｉｃｈａｒｄＡＣｕｌｌｅｎ．ＷｈａｔｉｓＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇａｎｄＨｏｗＤｏｅｓＩｔＷｏｒｋ［Ｍ］．ＢｌｕｅＳｋｙＥｎｅｒｇｙ：ＵｓｅＭａｎｕａｌ，Ｉｎｃ．，２００２．［３】何薇薇，熊宇，杨金明，等．基于改进ＭＰＰＴ算法的光伏发电最大功率跟踪系统叨．电气传动，２００９，３９（６）：３９－４ｌ－【４】ＨｕａＣ，ＬｉｎＪ，ＳｈｅｎＣ．ＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａＤＳＰＣｏｎｔｒｏｌｅｄＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＳｙ＝ｔｃｍｗｉｔｈＰｅａｋＰｏｗｅｒＴｒａｃｋｉｌｌｇ叨．ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＯｉｌＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９８，４５（８）：９９－１０７．［５】ＡＢｒａｍｂｉＨａ，Ｍ．Ｇａｍｂａｒａｒａ，ＡＧａｍｔｔｉ，ｅｔａ１．ＮｅｗＡｐｐｒｏａｃｈｔｏＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＡｒｒａｙｓＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ【Ａ】．ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＳｐｅｃｉａｌｉｓｔｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ＰＥＳＣ’９９【Ｃ】．１９９９，（２）：６３２—６３７．１３