探究基于FPGA 的自适应光伏发电系统MPPT 控制方法

赵东亮 濮阳职业技术学院

社会在发展的同时，人们对物质的需求逐渐提升，能源问题也成为急需解决的重要问题，为了能够维持可持续发展生态系统，可再生能源成为关注热点。光伏发电作为一种新型的可再生能源，操作较为简单且发电效率较高，因此可能会成为将来的主要能源获得途径。

一、概述

（一）光伏发电系统MPPT 技术

MPPT 即最大功率跟踪控制装置，能够对光伏系统的负载进行调节，进而得到稳定的光伏发电生产效率。光伏发电的生产效率主要受温度和光照强度影响，呈非线性关系，在恒定的温度及光照强度下，光伏发电系统的最大输出功率为定值。在实际生产中，为了能够使光伏系统达到最高的生产效率，技术人员会在电池与负载之间安装最大功率跟踪控制装置。MPPT 按照控制方法可以分为开环MPPT 和闭环MPPT。

（二）开环MPPT

由于温度、光照强度和输出功率的变化有着一定的规律关系，研究人员基于这些规律关系研发了开环MPPT 控制方法，而这其中主要涉及的有定电压跟踪法、差值计算法等，开环MPPT 控制方法操作较为简单，可行性高，但由于该种方法与光伏输出有较强的关联性，且得到的数据并不准确，因此在实际操作中应用并不非常广泛，且一般会和直接跟踪法一起使用来提升操作可行性。

（三）闭环MPPT

闭环MPPT 指的则是实时测量光伏电池的输出电压和电流值实现最大输出功率跟踪控制。自寻优类算法是闭环MPPT 中的经典方法，且在实际操作中应用非常广泛。自寻优类MPPT 算法可以分为扰动观察法和电导增量法，通过自寻优来对光伏发电系统的电压进行自动搜索，控制光伏发电系统的最大功率。科技发展使得模糊控制理论和人工神经理论等高科技理论在各行业中的发展逐渐完善，智能控制也取得了飞速的进步，在各行各业中也取得了一定的成果。由于智能控制适用于多样化的工作场景，使得最大功率跟踪领域对智能控制的应用非常广泛。

（四）FPGA 技术

FPGA 的主要组件是HDL，HDL 也叫作硬件描述语言系统，在数据较为复杂的数字系统中应用非常广泛，使用者能够通过HDL 来对设计内容进行具体化的描述，为工业设计带来了巨大的方便。VHDL 是HDL 的一种标准，由于其描述能力较强、仿真语句和函数库丰富、独立性较强，而被大多数的FPGA 平台所认定，在电子设计领域应用非常广泛。VHDL 是一种详细化的语言描述标准，在描述过程中，系统级、行为级、寄存器传输级、门级等各个层级的电路情况都能被详细地展现出来，设计师可以分层次对电路进行设计，且由于VHDL 数据类型非常丰富，还有标准自定义和用户自定义两种数据类型，为用户的设计带来了便捷。在初次设计完成后，VHDL 还能对设计结果可行性进行检测，用户可以随机进行仿真模拟。

二、MPPT 控制系统设计分析

以FPGA 平台作为基础对光伏MPPT 控制系统进行模块化设计，根据设计需求分为采样控制组件、分频器组件、寄存器组件、PWM 波产生组件、MPPT 控制组件，MPPT控制组件则是由乘法子组件、除法子组件、工作状态判断组件、工作区域划分组件4 部分构成。对MPPT 控制系统进行研究，首先电压和电流通过A/D 转换器得到样本信息，将样本信息转换为数字信息，将数字信息通过乘法子组件来得到光伏发电系统的输出功率，MPPT 控制组件根据输出功率及计算器的相关参数来对光伏发电系统的输出功率进行判断，并按照设定来进行调整，得到接下来单位时间内的占空比，并将占空比数据送入PWM 信号产生组件，完成数据输出。

以设计MPPT 控制系统整体模块划分为例，可以将MPPT 控制系统划分为三个层面。第1 层面，电压和电流通过A/D 转换器输入MPPT 控制系统，经过MPPT 控制系统的数据加工得到PWM 波。第2 层面，对A/D 转换器与PWM 波之间的组件进行分析，分频器组件与采样控制组件、寄存器组件、MPPT 核心控制组件相连，经过A/D 转换器得到的电压和电流通过A/D 采样控制组件输入MPPT 核心控制组件，将得到的信息输入PWM 信号产生组件，由PWM信号产生组件得到PWM 波。第3 层面，对MPPT 核心控制组件进行分解。MPPT 核心控制组件位于A/D 采样控制组件与PWM 信号产生组件之间，将从A/D 采样控制组件得到的信息转换为数据并再次转换为信号传输至PWM 信号产生组件。MPPT 核心控制组件分为乘法组件、除法组件及工作状态划分组件、工作状态判定组件。在进行MPPT控制系统设计时，设计师首先要对MPPT 控制系统的多层次内容进行分解，明确具体的组件内部构造，进而得到优质的MPPT 控制系统。

三、PWM 信号产生组件设计分析

由于PWM 信号产生组件直接决定了开关管的状态，MPPT 核心控制组件输出的数据为下一单位时间内的占空比相关数据，为了能够对光伏系统的DC/DC 模块进行更加准确的控制，PWM 信号产生组件就需要承担占空比数据与高低电数据的转换任务，同时还需要通过占空比参数来对MPPT 核心组件的输出脉宽进行控制。PWM 信号产生组件在运行过程中一般是通过占空比数据和锯齿波信息来进行数据处理工作，MPPT 控制组件所输出的数据信息产生改变时，比较器发挥作用，PWM 信号产生组件输出的数据信息，即脉冲宽度发生变化。

以设计PWM 信号产生组件为例，在设计过程中可以以锯齿波信号的叠加统计为基础原理。将FPGA 外接晶振的频率设置为20MHz，得到锯齿波信号并重复收集锯齿波信号，将DC 组件的频率设置为20kHz，重复1000 次数据收集。在初始时，设定数值为0，数据的宽度为10bit，此时可以得到1024 次数据，1024 次数据可以满足1000 次数据需求，设计师也可以设置否定条件，如果数值小于等于999，则继续下一轮数据测量，如果大于999，则将所有数据清零，通过数据收集循环清零来得到锯齿波信息。此时可以发现占空比的波动范围处于0 与1之间，锯齿波的波动范围处于1 至1000 之间。为了能够得到脉宽数据，可以将占空比数据进行调整。占空比为1 时，锯齿波为1000，同时达到峰值，设置占空比缩放比例为1：1000。通过对PWM 信号产生组件产生数据的分析来完成DC/DC 组件的监控控制。在对PWM 信号进行仿真处理时，设定脉宽初始占空比为20%，可以得到大概的显示宽度为25us。随着数据的循环累加当数据循环为1000 时，wav 信号数据信号为0，此时完成一轮循环，得到一个单位的锯齿波信号，并重新开始下一轮单位锯齿波信号的收集。PWM 信号产生组件所输出的信号周期为50us，如果占空比为200，则PWM 信号产生组件所输出的脉冲宽度为1/5，同时随着占空比数据的上升，脉冲宽度也不断增加，占空比数据的下降也会使脉冲宽度减少，在测试过程中不断调整可以得到设计所需的数据。

四、MPPT 乘法子组件设计分析

乘法子组件是电路设计中常用的组件，常见的平方运算电路、导数运算电路等电路设计中都会用到乘法子组件。乘法子组件实现FPGA 一般会用三种方法。第1 种方法，将乘法运算通过加法器和移位器来进行运算，通过乘法子组件的程序来控制计算过程。这种方法的操作较为简单，但操作过程较为啰嗦，耗时长。第2 种方法，通过硬件电路可替换软件来对加法器和移位器进行操控，逐步完成乘法计算，第2种方法比第1 种方法的运算效率有所提升，但依旧不足以称道。第3 种方法，在硬件电路中直接使用乘法子组件，该种方法由于省略了其他步骤，操作速度最快。FPGA平台内部有嵌入式乘法计算硬件，还可以通过LE 来设计乘法子组件，故而可以直接使用第3 种方法。

以设计MPPT 乘法子组件为例，电压和电流输入MPPT 控制系统，而输入过程中需要对电压和电流进行处理，处理过程则要根据实际情况进行分情况讨论操作。设计师可以选择0～5V 量程的转换器，将信号通过A/D 转换芯片来完成数据转换，得到宽度为8bits 的数据。8 位A/D 转换器在操作过程中，如果电压满格达到5V，则转换器此时的分辨情况约为19.6mV。此时MPPT 控制组件可以将数据信号经过乘法子组件的处理得到功率值。将功率值通过PWM 信号产生组件输出，用于下一轮数据处理过程中的状态判定和区域划分。

五、结语

光伏发电作为目前可再生能源中的优质技术，操作较为简单且可再生性强，极可能成为未来的主要能源，因此如何保障光伏发电系统的生产稳定性及提高其生产效率是研究人员应该研究的问题，本文从MPPT控制系统设计、PWM 信号产生组件设计、MPPT 乘法子组件设计三个方面进行分析，希望能够推进我国光伏发电的发展。