探究基于FPGA 的自適應(yīng)光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT 控制方法

趙東亮 濮陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院

社會在發(fā)展的同時，人們對物質(zhì)的需求逐漸提升，能源問題也成為急需解決的重要問題，為了能夠維持可持續(xù)發(fā)展生態(tài)系統(tǒng)，可再生能源成為關(guān)注熱點。光伏發(fā)電作為一種新型的可再生能源，操作較為簡單且發(fā)電效率較高，因此可能會成為將來的主要能源獲得途徑。

一、概述

（一）光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT 技術(shù)

MPPT 即最大功率跟蹤控制裝置，能夠?qū)夥到y(tǒng)的負(fù)載進行調(diào)節(jié)，進而得到穩(wěn)定的光伏發(fā)電生產(chǎn)效率。光伏發(fā)電的生產(chǎn)效率主要受溫度和光照強度影響，呈非線性關(guān)系，在恒定的溫度及光照強度下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大輸出功率為定值。在實際生產(chǎn)中，為了能夠使光伏系統(tǒng)達到最高的生產(chǎn)效率，技術(shù)人員會在電池與負(fù)載之間安裝最大功率跟蹤控制裝置。MPPT 按照控制方法可以分為開環(huán)MPPT 和閉環(huán)MPPT。

（二）開環(huán)MPPT

由于溫度、光照強度和輸出功率的變化有著一定的規(guī)律關(guān)系，研究人員基于這些規(guī)律關(guān)系研發(fā)了開環(huán)MPPT 控制方法，而這其中主要涉及的有定電壓跟蹤法、差值計算法等，開環(huán)MPPT 控制方法操作較為簡單，可行性高，但由于該種方法與光伏輸出有較強的關(guān)聯(lián)性，且得到的數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確，因此在實際操作中應(yīng)用并不非常廣泛，且一般會和直接跟蹤法一起使用來提升操作可行性。

（三）閉環(huán)MPPT

閉環(huán)MPPT 指的則是實時測量光伏電池的輸出電壓和電流值實現(xiàn)最大輸出功率跟蹤控制。自尋優(yōu)類算法是閉環(huán)MPPT 中的經(jīng)典方法，且在實際操作中應(yīng)用非常廣泛。自尋優(yōu)類MPPT 算法可以分為擾動觀察法和電導(dǎo)增量法，通過自尋優(yōu)來對光伏發(fā)電系統(tǒng)的電壓進行自動搜索，控制光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率。科技發(fā)展使得模糊控制理論和人工神經(jīng)理論等高科技理論在各行業(yè)中的發(fā)展逐漸完善，智能控制也取得了飛速的進步，在各行各業(yè)中也取得了一定的成果。由于智能控制適用于多樣化的工作場景，使得最大功率跟蹤領(lǐng)域?qū)χ悄芸刂频膽?yīng)用非常廣泛。

（四）FPGA 技術(shù)

FPGA 的主要組件是HDL，HDL 也叫作硬件描述語言系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)較為復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，使用者能夠通過HDL 來對設(shè)計內(nèi)容進行具體化的描述，為工業(yè)設(shè)計帶來了巨大的方便。VHDL 是HDL 的一種標(biāo)準(zhǔn)，由于其描述能力較強、仿真語句和函數(shù)庫豐富、獨立性較強，而被大多數(shù)的FPGA 平臺所認(rèn)定，在電子設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。VHDL 是一種詳細(xì)化的語言描述標(biāo)準(zhǔn)，在描述過程中，系統(tǒng)級、行為級、寄存器傳輸級、門級等各個層級的電路情況都能被詳細(xì)地展現(xiàn)出來，設(shè)計師可以分層次對電路進行設(shè)計，且由于VHDL 數(shù)據(jù)類型非常豐富，還有標(biāo)準(zhǔn)自定義和用戶自定義兩種數(shù)據(jù)類型，為用戶的設(shè)計帶來了便捷。在初次設(shè)計完成后，VHDL 還能對設(shè)計結(jié)果可行性進行檢測，用戶可以隨機進行仿真模擬。

二、MPPT 控制系統(tǒng)設(shè)計分析

以FPGA 平臺作為基礎(chǔ)對光伏MPPT 控制系統(tǒng)進行模塊化設(shè)計，根據(jù)設(shè)計需求分為采樣控制組件、分頻器組件、寄存器組件、PWM 波產(chǎn)生組件、MPPT 控制組件，MPPT控制組件則是由乘法子組件、除法子組件、工作狀態(tài)判斷組件、工作區(qū)域劃分組件4 部分構(gòu)成。對MPPT 控制系統(tǒng)進行研究，首先電壓和電流通過A/D 轉(zhuǎn)換器得到樣本信息，將樣本信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，將數(shù)字信息通過乘法子組件來得到光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，MPPT 控制組件根據(jù)輸出功率及計算器的相關(guān)參數(shù)來對光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率進行判斷，并按照設(shè)定來進行調(diào)整，得到接下來單位時間內(nèi)的占空比，并將占空比數(shù)據(jù)送入PWM 信號產(chǎn)生組件，完成數(shù)據(jù)輸出。

以設(shè)計MPPT 控制系統(tǒng)整體模塊劃分為例，可以將MPPT 控制系統(tǒng)劃分為三個層面。第1 層面，電壓和電流通過A/D 轉(zhuǎn)換器輸入MPPT 控制系統(tǒng)，經(jīng)過MPPT 控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)加工得到PWM 波。第2 層面，對A/D 轉(zhuǎn)換器與PWM 波之間的組件進行分析，分頻器組件與采樣控制組件、寄存器組件、MPPT 核心控制組件相連，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器得到的電壓和電流通過A/D 采樣控制組件輸入MPPT 核心控制組件，將得到的信息輸入PWM 信號產(chǎn)生組件，由PWM信號產(chǎn)生組件得到PWM 波。第3 層面，對MPPT 核心控制組件進行分解。MPPT 核心控制組件位于A/D 采樣控制組件與PWM 信號產(chǎn)生組件之間，將從A/D 采樣控制組件得到的信息轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)并再次轉(zhuǎn)換為信號傳輸至PWM 信號產(chǎn)生組件。MPPT 核心控制組件分為乘法組件、除法組件及工作狀態(tài)劃分組件、工作狀態(tài)判定組件。在進行MPPT控制系統(tǒng)設(shè)計時，設(shè)計師首先要對MPPT 控制系統(tǒng)的多層次內(nèi)容進行分解，明確具體的組件內(nèi)部構(gòu)造，進而得到優(yōu)質(zhì)的MPPT 控制系統(tǒng)。

三、PWM 信號產(chǎn)生組件設(shè)計分析

由于PWM 信號產(chǎn)生組件直接決定了開關(guān)管的狀態(tài)，MPPT 核心控制組件輸出的數(shù)據(jù)為下一單位時間內(nèi)的占空比相關(guān)數(shù)據(jù)，為了能夠?qū)夥到y(tǒng)的DC/DC 模塊進行更加準(zhǔn)確的控制，PWM 信號產(chǎn)生組件就需要承擔(dān)占空比數(shù)據(jù)與高低電數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換任務(wù)，同時還需要通過占空比參數(shù)來對MPPT 核心組件的輸出脈寬進行控制。PWM 信號產(chǎn)生組件在運行過程中一般是通過占空比數(shù)據(jù)和鋸齒波信息來進行數(shù)據(jù)處理工作，MPPT 控制組件所輸出的數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生改變時，比較器發(fā)揮作用，PWM 信號產(chǎn)生組件輸出的數(shù)據(jù)信息，即脈沖寬度發(fā)生變化。

以設(shè)計PWM 信號產(chǎn)生組件為例，在設(shè)計過程中可以以鋸齒波信號的疊加統(tǒng)計為基礎(chǔ)原理。將FPGA 外接晶振的頻率設(shè)置為20MHz，得到鋸齒波信號并重復(fù)收集鋸齒波信號，將DC 組件的頻率設(shè)置為20kHz，重復(fù)1000 次數(shù)據(jù)收集。在初始時，設(shè)定數(shù)值為0，數(shù)據(jù)的寬度為10bit，此時可以得到1024 次數(shù)據(jù)，1024 次數(shù)據(jù)可以滿足1000 次數(shù)據(jù)需求，設(shè)計師也可以設(shè)置否定條件，如果數(shù)值小于等于999，則繼續(xù)下一輪數(shù)據(jù)測量，如果大于999，則將所有數(shù)據(jù)清零，通過數(shù)據(jù)收集循環(huán)清零來得到鋸齒波信息。此時可以發(fā)現(xiàn)占空比的波動范圍處于0 與1之間，鋸齒波的波動范圍處于1 至1000 之間。為了能夠得到脈寬數(shù)據(jù)，可以將占空比數(shù)據(jù)進行調(diào)整。占空比為1 時，鋸齒波為1000，同時達到峰值，設(shè)置占空比縮放比例為1：1000。通過對PWM 信號產(chǎn)生組件產(chǎn)生數(shù)據(jù)的分析來完成DC/DC 組件的監(jiān)控控制。在對PWM 信號進行仿真處理時，設(shè)定脈寬初始占空比為20%，可以得到大概的顯示寬度為25us。隨著數(shù)據(jù)的循環(huán)累加當(dāng)數(shù)據(jù)循環(huán)為1000 時，wav 信號數(shù)據(jù)信號為0，此時完成一輪循環(huán)，得到一個單位的鋸齒波信號，并重新開始下一輪單位鋸齒波信號的收集。PWM 信號產(chǎn)生組件所輸出的信號周期為50us，如果占空比為200，則PWM 信號產(chǎn)生組件所輸出的脈沖寬度為1/5，同時隨著占空比數(shù)據(jù)的上升，脈沖寬度也不斷增加，占空比數(shù)據(jù)的下降也會使脈沖寬度減少，在測試過程中不斷調(diào)整可以得到設(shè)計所需的數(shù)據(jù)。

四、MPPT 乘法子組件設(shè)計分析

乘法子組件是電路設(shè)計中常用的組件，常見的平方運算電路、導(dǎo)數(shù)運算電路等電路設(shè)計中都會用到乘法子組件。乘法子組件實現(xiàn)FPGA 一般會用三種方法。第1 種方法，將乘法運算通過加法器和移位器來進行運算，通過乘法子組件的程序來控制計算過程。這種方法的操作較為簡單，但操作過程較為啰嗦，耗時長。第2 種方法，通過硬件電路可替換軟件來對加法器和移位器進行操控，逐步完成乘法計算，第2種方法比第1 種方法的運算效率有所提升，但依舊不足以稱道。第3 種方法，在硬件電路中直接使用乘法子組件，該種方法由于省略了其他步驟，操作速度最快。FPGA平臺內(nèi)部有嵌入式乘法計算硬件，還可以通過LE 來設(shè)計乘法子組件，故而可以直接使用第3 種方法。

以設(shè)計MPPT 乘法子組件為例，電壓和電流輸入MPPT 控制系統(tǒng)，而輸入過程中需要對電壓和電流進行處理，處理過程則要根據(jù)實際情況進行分情況討論操作。設(shè)計師可以選擇0～5V 量程的轉(zhuǎn)換器，將信號通過A/D 轉(zhuǎn)換芯片來完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得到寬度為8bits 的數(shù)據(jù)。8 位A/D 轉(zhuǎn)換器在操作過程中，如果電壓滿格達到5V，則轉(zhuǎn)換器此時的分辨情況約為19.6mV。此時MPPT 控制組件可以將數(shù)據(jù)信號經(jīng)過乘法子組件的處理得到功率值。將功率值通過PWM 信號產(chǎn)生組件輸出，用于下一輪數(shù)據(jù)處理過程中的狀態(tài)判定和區(qū)域劃分。

五、結(jié)語

光伏發(fā)電作為目前可再生能源中的優(yōu)質(zhì)技術(shù)，操作較為簡單且可再生性強，極可能成為未來的主要能源，因此如何保障光伏發(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)穩(wěn)定性及提高其生產(chǎn)效率是研究人員應(yīng)該研究的問題，本文從MPPT控制系統(tǒng)設(shè)計、PWM 信號產(chǎn)生組件設(shè)計、MPPT 乘法子組件設(shè)計三個方面進行分析，希望能夠推進我國光伏發(fā)電的發(fā)展。