基于FPGA的太阳能MPPT算法实现的研究

第 44 卷第 8 期2010 年 8 月电力电子技术Power ElectronicsVol.44， No.8August， 2010基金项目 ： 天津市科技支撑重点项目 （ 09ZCGYGX01100）定稿日期 ： 2010-01-04作者简介 ： 刘艳莉 （ 1959- ）， 女 ， 山西汾阳人 ， 硕士 ， 副教授 ， 研究方向为模式识别 、 电工理论新技术 。1 引 言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踪（ MPPT） 策略是提高太阳能发电效率， 降低成本的有效方法 [1]。 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 [2]。现场可编程门阵列（ Field Programmable GateArray， 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， Cyclone II 系列器件是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 。2 系统组成及原理如图 1 所示， 太阳能电池经 DC/DC 变换供给负载电能 。 由 FPGA 构成的乘法器将 A/D 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 。3 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 A/D 变换器 ADC0809， 对 A/D 变换器的控制通过 FPGA 实现 。3.1 数据采集模块接口设计 [3]8 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 、 A/D 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 。基于 FPGA 的太阳能 MPPT 算法实现的研究刘艳莉 ， 闫法彬 ， 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） 08-0012-02Research on Max Power Point Tracking for PV Based on FPGALIU Yan-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 generationsystems， but manyof them are basedon MCU.This paper introduces a new low-cost method which utilizes field programmablegate array（ FPGA）to achieve solar maximum power point.It discusseshardware componentsof the system structure as well as connection waybetween the function modules.The ADC controller， multiplier ， MPPT algorithm and PWM wave generator are completed byVerilog on QuartusII 6.0， simulating on the Modelsim and downloading the design to Cyclone II series EP2C8Q208C8chip， the results show the new systemworks well and achieves the expected goal.Tosomeextend， it also can be consideredas a foundation of solar power generation basedon SoC.Keywords ： solar powergeneration； maximum power point tracking； field programmablegate arrayFoundation Project ： Supported by Tianjin Science and Technology Supported Program（ No.09ZCGYGX01100）图 1 系统组成框图图 4 MPPT算法流程反） ， 则输出 PWM 的占空比将进一步增大基于 FPGA 的太阳能 MPPT算法实现的研究13