第４４卷第８期 电力电子技术 Ｖｏ１．４４．Ｎｏ．８ ２０１０年８月 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ａｕｇｕｓｔ，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、ＭＰ 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—１Ｏ０Ｘ（２０１０）０８—００１２—０２ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ０１１ Ｍａｘ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ｆｏｒ ＰＶ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ＵＵ Ｙａｈ—ｌｉ．ＹＡＮ Ｆａ．ｂｉｎ。ＣＨＥＮＧ Ｚｅ （Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３０００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ（ＭＰＰＴ）ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｓｏｌａｒ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ，ｂｕｔ ｍａｎｙ ｏｆ ｔｈｅｍ ａｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＣＵ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｎｅｗ ｌｏｗ－ｃｏｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｉｃｈ ｕｔｉｌｉｚｅｓ ｉｆｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ） ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｓｏｌａｒ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ．Ｉｔ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｗａｙ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅｓ．Ｔｈｅ ＡＤＣ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ，ＭＰＰＴ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ＰＷＭ ｗａｖｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ａｒｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ ｂｙ Ｖｅｒｉｌｏｇ ｏｎ ＱｕａｒｔｕｓｌＩ ６．０，ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ Ｍｏｄｅｌｓｉｍ ａｎｄ ｄｏｗｎｌｏａｄｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｔｏ Ｃｙｃｌｏｎｅ ＩＩ ｓｅｒｉｅｓ ＥＰ２Ｃ８Ｑ２０８Ｃ８ ｃｈｉｐ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｎｅｗ ｓｙｓｔｅｍ ｗｏｒｋｓ ｗｅｌｌ ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅｓ ｔｈｅ ｅｘｐｅｃｔｅｄ ｇｏａ１．Ｔｏ ｓｏｍｅ ｅｘｔｅｎｄ，ｉｔ ａｌｓｏ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ａｓ ａ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳｏＣ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｌａｒ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ；ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ Ｐｒｏｇｒａｍ（Ｎｏ．０９ＺＣＧＹＧＸＯ１１００） １ 引 言 ２系统组成及原理 能源是人类社会得以存在和发展的基础．太阳 如图１所示，太阳能电池经ＤＣ／ＤＣ变换供给负 能作为一种新型零污染的能源得到了世界各国的重 载电能。由ＦＰＧＡ构成的乘法器将Ａ／Ｄ转换器采集 视。基于控制技术和电力电子技术的最大功率点跟 的电压电流值进行功率计算，将结果输入ＭＰＰＴ模 踪（ＭＰＰＴ）策略是提高太阳能发电效率．降低成本的 块。由ＭＰ 模块根据相应算法在线控制ＰＷＭ波 有效方法【ｌＪ。ＭＰＰＴ系统通过调节电气模块的工作状 输出的占空比，并通过外围驱动芯片控制ＤＣ／ＤＣ模 态，使太阳能电池可以输出更多的电能 。 块中ＭＯＳＦＥＴ管的导通时间，进而实时跟踪太阳能 现场可编程门阵列（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ 电池的最大功率点。其中Ａ／Ｄ控制器、ＭＰＰＴ算法、 Ａｒｒａｙ，简称ＦＰＧＡ）控制逻辑由硬件完成，具有开发 硬件乘法器、ＰＷＭ模块都由低成本的ＦＰＧＡ实现。 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，Ｃｙｃｌｏｎｅ ＩＩ系列器件是 Ｊ ｗ Ｉ ｌ ’Ｃｙｃｌｏｎｅ系列的第２代产品，其成本比第１代Ｃｙｃｌｏｎｅ 器件低３０％．逻辑容量大３倍多．广泛应用于消费 墨 匝 匝 匝匿 —徊 ￣ＰｏＡ —．［蛰 －－４－－一 ｊ电子、电信和无线、计算机外设、工业和汽车行业。 使用ＣｙｃｌｏｎｅｌＩ系列ＦＰＧＡ的ＥＰ２Ｃ８Ｑ２０８Ｃ８芯 ３数据采集模块 片，实现了ＡＤＣ采样控制器、乘法器、ＭＰＰＴ算法、 由于系统对数据采集的实时性要求不高．数据 ＰＷＭ模块的设计，这些模块与ＤＣ／ＤＣ和Ａ／Ｄ变换、太 采集选用８位Ａ／Ｄ变换器ＡＤＣ０８０９．对ＭＤ变换器 阳能电池板、负载等部件结合构成太阳能发电系统。 的控制通过ＦＰＧＡ实现。 ３．１数据采集模块接口设计１３１ 基金项目：天津市科技支撑重点项目（０９ＺＣＧＹＧＸ０１１００） ８位逐次逼近型 Ｄ转换器ＡＤＣ０８０９由８路 定稿日期：２０１０—０１—０４ 模拟开关、地址锁存译码器、Ａ／Ｄ转换器和三态输出 作者简介：刘艳莉（１９５９一），女，山西汾阳人，硕士，副教授，研 锁存器组成。多路开关可选通８个模拟通道．允许 究方向为模式识别、电工理论新技术。 ８路模拟量分时输入，共用Ａ／Ｄ转换器进行转换。 ｌ２ 基于ＦＰＧＡ的太阳能ＭＰ 算法实现的研究 ３．２ ＡＤＣ０８０９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。 － ， 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，采样时间的问隔设 计得较小，为几十个时钟周期）。 ４ ＭＰＰＴ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 点附近，当光照强度减弱时，系统将沿着曲线移动到 日 点，显然偏离了最大功率点，该时刻系统采集的功 率值尸２将小于上一时刻的功率Ｐｌ，假设这时的 ｆｌａｇ＝ｌ（ｆｌａｇ在程序中用来指示占空比变化的方向， 当ｆｉａｇ＝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。 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／４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， 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。 Ｉ 系统初始化Ｉ 寓 囱圈 图４ ＭＰＰＴ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。 ｔｌ（２５０ ｕｓ／格） （ａ１光照强度较弱 ｔ／（２５０ ｕｓ／俗）ｔ／（２５０ ｔａｓ／｛｛！｝） （ｂ）光照强度变强 （ｃ）光照强度｝｝ｆ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ｆＪ１．上海电力学院学报，２００８，２４（２）：１５４—１５６． 【２】Ｒｉｃｈａｒｄ Ａ Ｃｕｌｌｅｎ．Ｗｈａｔ ｉｓ Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ Ｈｏｗ Ｄｏｅｓ Ｉｔ Ｗｏｒｋ［Ｍ］．Ｂｌｕｅ Ｓｋｙ Ｅｎｅｒｇｙ：Ｕｓｅ Ｍａｎｕａｌ， Ｉｎｃ．，２００２． ［３】何薇薇，熊宇，杨金明，等．基于改进ＭＰ 算法的光伏 发电最大功率跟踪系统【Ｊ］．电气传动，２００９，３９（６）：３９－４１． 【４】Ｈｕａ Ｃ，Ｌｉｎ Ｊ，Ｓｈｅｎ Ｃ．Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ＤＳＰ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｐｅａｋ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｃｋｉｎｇ【Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９８，４５（８）：９９—１０７． ［５］Ａ Ｂｒａｍｂｉｌｌａ，Ｍ．Ｇａｍｂａｒａｒａ，Ａ Ｇａｒｕｔｔｉ，ｅｔ ａ１．Ｎｅｗ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ Ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ ＡＨａｙｓ Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ［Ａ］． Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ＰＥＳＣ’９９【Ｃ】． １９９９，（２）：６３２—６３７． １ ３