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基于FPGA的光伏MPPT控制系统设计与实现

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第43卷第11期2017年11月中国测试C H IN A M E A S U R E M E N T&TESTV o l.43No.11N o ve m b e r，2017d o i 院 10.11857/j.is s n.1674-5124.2017.11.021基于FPGA的光伏MPPT控制系统设计与实现杨秀增(广西民族师范学院物理与电子工程学院，广西崇左532200)摘要:为验证基于F P G A的光伏最大功率跟踪系统的应用效果，采用S O P C和F P G A技术，设计一款光伏电池最大 功率点跟踪(M P P T)控制系统。

采用A lte r a公司的Q uartus I I软件开发S O P C光伏控制系统，通过三点比较M P P T控 制算法提高最大功率跟踪稳定性。

根据A v a lo n总线I P核的设计方法，利用V e rilo g H D L硬件描述语言设计光伏M P P T控制I P核，通过带有E P4C E6F17C8开发板进行验证。

验证结果表明:基于F P G A设计的光伏M P P T控制系统 工作稳定，能动态地跟踪光伏电池的最大功率点的变化，具有响应速度快、可靠性高和易于升级等优点，可应用于光 伏发电系统中。

关键词:光伏电池;最大功率点跟踪控制器;现场可编程门阵列;三点比较M P P T算法;I P核文献标志码：A文章编号院1674-5124(2017) 11-0108-04Design and implementation of photovoltaic maximum power pointtracking control system based on FPGAY A N G Xiuzeng(D epartm ent o f Physical and E lectronic E ngineering,Guangxi U niversity fo r N a tio n alitie s,Chongzuo 532200,C hina)A b s tra c t:To verify the application effect o f photovoltaic m axim um power point tracking systembased on F P G A,SOPC and FPGA technologies are used to design a photovoltaic maximum power point tracking(M P PT)control system.Quartus I I software o f A lte ra company is applied to develop the SOPC photovoltaic control system and three-p o in t comparison MPPT method is applied to enhance m axim um power point tracking s ta b ility.A ccording to the design method ofA valon IP co re，V erilog H D L(hardware description language)is used to design the MPPT IPcore o f PV system and development board w ith EP4C E6F17C8 is used to verify the correctness o f the design.The verification results show that the photovoltaic MPPT control system designed w ith FPGA has stable performance and can dynam ically track the change o f the m axim um power point o f photovoltaic c e lls，w hich is characterized by fast response speed，high re lia b ility and easy upgrading，thus it can be used in photovoltaic power generation system.K e y w o rd s:PV c e ll；MPPT co n tro lle r；F P G A；th re e-p o in t comparison MPPT m ethod；IP core收稿日期：2017-03-09曰收到修改稿日期：2017-04-25基金项目：国家自然科学基金项目（61302131，61075068冤；广西科学研究与技术开发项目（2015A A08210)作者筒介:杨秀增（1974-冤，男，湖南怀化市人，副教授，硕士，研究方向光伏应用系统的集成与开发。

第43卷第11期杨秀增:基于FPGA的光伏MPPT控制系统设计与实现1090引言随着世界能源危机加剧和人类生存环境日益恶 化，太阳能绿色能源的开发，得到了人们的广泛关注 和重视[1]遥光伏发电是太阳能利用的重要方式，也是 解决当前能源短缺问题和环境问题的重要手段之一 [1原2]。

但由于光伏电池的电气特性对光照强度和 环境温度的变化敏感P"4]，使得光伏电池输出功率呈 现非线性特点。

因此，如何根据环境因素的变化跟踪 光伏电池的最大功率点[5-10]变化，对于提高光伏系统 的转换效率至关重要。

目前，国内外学者对光伏系统 的最大功率跟踪(M P P T)问题做了大量研究工作，提 出很多M P P T算法。

文献[5]根据光伏电池的输出特 性和数学模型，提出一种采用阈值电流和微变步长 扰动法的开路电压和短路电流相结合的M P P T算 法;文献[6]针对定步长扰动观察法存在的不足，提出 一种基于电流预测控制的自适应变步长最大功率 跟踪方法;文献[7]融合恒定电压法与扰动观察法的 优点，并结合大步长扰动法和小步长扰动法，提出了 一种改进的电压自寻优扰动观察法;文献[8]针对扰 动观察法在最大功率点附近出现振荡问题，提出 一种零均值电导增量最大功率点跟踪控制方法;文 献[9-10]针对光伏阵列的功率输出在局部阴影情况 下，出现多个局部功率极值点的特性，提出基于粒 子群优化算法的M P P T算法。

为了验证基于F P G A的光伏最大功率跟踪系统 的应用效果，本文利用现场可编程门阵列（F P G A)，采用三点比较M P P T算法，设计一款光伏系统MPPT 控制系统[11-13]。

经测试表明，该控制系统具有响应速 度快、可靠性高和易于升级等优点，可应用于光伏系 统中。

1三点比较M P P T算法常见的最大功率跟踪算法有:恒定电压法、扰动 观察法和电导增量法等。

恒定电压法虽然跟踪速度 快，但稳定性较差，当温度迅速变化，经常会出现跟 踪失败情况[11];扰动观察法简单易于实现，但可靠性 不高，当光照强度变化时，容易发生误判；电导增量 法控制准确度高，但实现成本高[11-12]。

综合考虑以上算法的优缺点，本文采用三点比 较M P P T算法进行设计。

该算法是针对扰动观察法 的缺点而提出的一种改进算法，其工作原理如图1所示。

假设点A是当前工作点，并在点A前后分别 选取B和C两点作为比较点。

由图可知：当前工作 点A的位置关系有如下3种情况院1)当关系式P c< 或臆P b成立时，说明当前工作点A位于P c<P a图1三点比较M PPT算法工作原理最大功率点（U m)的左边；2)当关系式P c>P a>P s或 P c逸P a>P b成立时，说明当前工作点A位于最大功率 点的右边;3)当关系式P c<P a和P a>P b同时成立时，说明工作点A位于最大功率点处附近。

三点比较 M P P T算法扰动方向由A、B和C三点功率大小共同 确定，扰动方向为P c<P a臆P b(沿正方向）P c逸P a>P s(沿负方向）P c<P a and P a>P b(不变）P c>P a=P b(不变)P c>P a and P a<P b(不变）P c=P a<P b(不变)PC=P a=P b(不变）2 M P P T控制器设计方案为了提高M P P T控制功能模块的重用性，本文 将三点比较M P P T算法控制器设计成I P核形式。

在 设计过程中，采用自顶向下的模块化设计思路，根据 A v a lo n总线规范，将M P P T控制器I P核分成A valon 接口单元、寄存器文件和任务逻辑3大功能模块，其设计方案如图2所示。

在A v a lo n接口单元中，通 过定义A v a lo n总线接口类型及其信号，将M P P T控 制模块连接到S0P C系统中；在寄存器文件中定义 一定数目寄存器，包括控制寄存器、采样倍率寄存 器、电流寄存器、电压寄存器、功率寄存器和PW M 占空比寄存器等;在任务逻辑中，通过定义M P P T控 制模块和A/D转换控制模块，实现M P P T控制I P核 的功能，并通过应用端口信号与外围的A D7606芯 片相连。

3 M P P T控制器设计3.1 A v a lo n接口单元设计A v a lo n接口单元是M P P T控制I P核的前端单 元，一'端通过定义A v a lo n接口信号线与A v a lo n总线 相连，另一端通过内部数据线与寄存器文件相连。

110中国测试2017年11月Avalon总线信号应用端口信号c lk-address -chipselect-reset-read-write -readdata[31:0] w rited ata[31:0]-Avalon接口单元寄存器文件控制寄存器采样倍率寄存器电流寄存器电压寄存器功率寄存器1功率寄存器2功率寄存器3PW M占空寄存器任务逻辑MPPT控制器A/D转换控制器-B D[15：0]，OS[2:0]-BUSY^ FRSTDATA，RD，CS►CONVSTB^ CONVSTA 图2 M PPT控制器设计方案A v a lo n接口单元的地址译码器，对地址信号进行译 码,能实现N io s II软核C P U通过地址访问寄存器。

本 I P核选择A valon-M M接口类型，定义控制信号的信 息如表1所示。

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基于MPPT技术的光伏路灯控制系统硬件设计

基于MPPT技术的光伏路灯控制系统硬件设计


04
基于mppt技术的光伏路灯控制系统硬 件设计实现与验证
基于mppt技术的光伏路灯控制系统硬件设计实现
确定硬件设计方案
根据光伏路灯控制系统的需求，确定以MPPT技术 为核心的硬件设计思路。
设计MPPT电路
根据MPPT技术原理，设计适用于本系统的MPPT 电路，实现最大功率点追踪。
选择合适的太阳能电池板
对实验和测试结果进行分析和比较，得出 结论，为进一步完善系统提供依据。
对整个研究工作进行总结和归纳， 提出改进意见和建议。
THANK YOU.
2023
基于mppt技术的光伏路灯 控制系统硬件设计
目录
• 绪论 • 基于mppt技术的光伏路灯控制系统硬件设计概
述 • 基于mppt技术的光伏路灯控制系统硬件设计详
细方案
目录
• 基于mppt技术的光伏路灯控制系统硬件设计实 现与验证
• 结论与展望 • 研究工作建议
01
绪论
研究背景与意义
1 2
研究光伏路灯控制系统的智能化和自适应化技术，实现 更加智能、高效、安全的光伏路灯控制
06
研究工作建议
了解市场需求
了解现有光伏路灯控制系统的优缺点，针对市场需求，明确 研究目标。
对各种光伏路灯控制系统进行比较分析，得出结论，为研究 工作提供指导。
设计硬件系统方案
根据市场需求和实际条件，设计出合理的硬件系统方案， 包括太阳能电池板、蓄电池、LED路灯等。
mppt控制器硬件设计
MPPT控制器选择
选用基于电感电流断续模式的控制器，如L6206或L6207，以 实现最大功率点追踪。
控制器电路设计
根据MPPT控制原理，设计输入电压、输入电流、输出电压和 输出电流等检测电路，以及开关驱动电路和故障保护电路等 。
MPPT太阳能控制器的设计与实现的开题报告

MPPT太阳能控制器的设计与实现的开题报告

MPPT太阳能控制器的设计与实现的开题报告一、选题的背景和意义随着现代化科技的发展，太阳能作为一种清洁、可再生能源备受关注。

太阳能的利用不仅可以满足我们的生活需求，同时也可以降低污染，保护环境。

太阳能电池板（PV模块）是太阳能发电的核心设备。

在专业的储能系统中，MPPT（最大功率点跟踪器）控制器是太阳能电池板充电系统的重要组成部分，它能够对PV模块进行最大功率跟踪，提高光伏系统的发电效率。

因此，对于MPPT太阳能控制器的设计和实现有着重要的研究意义和实际应用价值。

二、研究目的和内容本文旨在设计和实现一种高效的MPPT太阳能控制器，主要包括以下内容：1.了解太阳能光伏系统的基本原理和MPPT控制器的原理；2.研究MPPT控制器的分类及其特点，比较各种控制器的优缺点；3.设计一种高效的MPPT太阳能控制器，实现太阳能光伏系统对太阳能的最大利用；4.对所设计的控制器进行仿真分析和实际实验验证。

通过以上研究，旨在提高太阳能的利用效率，为人们的生活和环境保护做出积极贡献。

三、论文的重要性和贡献本文主要的贡献在于：1.深入了解太阳能光伏系统的原理，通过对MPPT控制器的分类和特点的研究，为太阳能光伏系统的发展提供参考和支持；2.设计和实现了一种高效的MPPT太阳能控制器，为太阳能光伏系统的应用提供了更好的资源利用方案；3.通过仿真分析和实际实验验证，对所设计的控制器进行了准确的评估和测试，为太阳能光伏系统的实际应用提供了可靠的技术支持和参考。

四、论文的研究方法1.文献调研法：通过查阅相关文献，了解太阳能光伏系统的基本原理和MPPT控制器的分类及其特点；2.实验研究法：通过对已有的MPPT控制器进行实验测试，分析其优缺点，进而设计和实现一种更加高效的控制器；3.仿真分析法：通过软件仿真分析，评估所设计的控制器的性能和可靠性，提高其实际应用价值。

五、论文的预期结果通过以上研究，预期实现以下目标：1.掌握太阳能光伏系统的基本原理和MPPT控制器的分类及其特点；2.设计和实现一种高效的MPPT太阳能控制器，提高太阳能光伏系统的效率；3.通过仿真分析和实际实验测试，评价所设计的控制器的性能和可靠性，为太阳能光伏系统的实际应用提供参考和支持。

基于MPPT技术的光伏路灯控制系统硬件设计

基于MPPT技术的光伏路灯控制系统硬件设计

1 引言1.1 太阳能光伏发电的背景及意义随着社会生产的日益发展，能源的地位愈发重要。

在20世纪的世界能源结构中，人类所利用的一次能源主要是石油、天然气和煤炭等化石能源。

这些化石能源本质上是数万年甚至更长时间以来太阳能辐射到地球上的一部分能源储存到古生物中，经过人类数千年，特别是近百年的消费，这些化石能源已被消耗了相当比例。

随着经济的发展、人口的增加和社会生活水平的提高，未来世界能源消费量将持续增长，世界上的化石能源消费总量总有一天将达到极限[1]。

此外，大量使用化石燃料已经为人类生存环境带来了严重的后果。

目前由于大量使用矿物能源，全世界每天产生约1亿吨温室效应气体，己经造成极为严重的大气污染。

如果不加控制，温室效应将融化两极的冰山，这可能使海平面上升几米，四分之一的人类生活空间将由此受到极大威胁。

当前人类文明的高度发展与地球生存环境的快速恶化己经形成一对十分突出的矛盾。

它向全世界能源工作者提出了严峻的命题和挑战[2]。

1.1.1 世界能源危机和太阳能的利用社会的发展，对能源的要求也越来越大。

以往人类所用的能源主要是包括石油、天然气在内的化石能源，这些能源是经过数万年甚至更长的时间由古生物的遗体演变而成，储存在地球上的能源矿藏。

这些能源虽然从本质上也是来源于太阳能，但是由于它们的积累需要经过漫长的地质年代，所以属于不可再生能源。

因此对能源一点点消耗，能源总有一天到枯竭的时候。

经济发展越快，对能源需求越大，能源消耗也就越快。

虽然在可预见的将来，煤炭、石油、天然气等矿物燃料，仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可持续能源资源的利用目益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。

据统计，20世纪90年代，全球煤炭和石油的发电量每年增长1％，而太阳能发电每年增长达20％，风力发电的年增长率更是高达26％。

预计在未来5至10年内，可持续能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。

基于MPPT控制的光伏发电系统设计_本科毕业设计(论文)

基于MPPT控制的光伏发电系统设计_本科毕业设计(论文)

本科毕业设计论文基于MPPT控制的独立光伏发电系统设计摘要随着时代的发展，人类对能源的需求越来越多，新能源开发是解决能源问题的根本途径，而太阳能光伏发电正是新能源和可再生能源的重要组成部分。

本文主要研究独立光伏发电系统，它有着相当广泛的应用。

独立光伏系统主要包括了光伏电池、蓄电池组、充电器和逆变器四个组成部分，本文对独立光伏系统中的最大功率点跟踪进行深入研究。

本文利用光伏电池的数学模型和等效电路，在MATLAB/Simulink中建立了光伏电池的仿真模型，得到了与实际光伏电池输出特性一致的仿真曲线，为进一步研究最大功率点跟踪打下了基础。

最大功率点跟踪的方法有很多，但是应用最为广泛的是扰动观察法和电导增量法，本文对自适应占空比干扰法进行了详细的分析，给出了算法设计，并建立了光伏电池的仿真模型对算法进行了仿真，仿真结果验证了算法设计的正确。

关键词：独立光伏系统，光伏电池，最大功率点跟踪The Design of Independent Photovoltaic Power Generation System Based on MPPT ControlABSTRACTWith the development of economics and technology, more and more energy is required. Researching and developing new energy is the radical method to resolve the energy problem, and the solar energy is the important composing of the new energy and the renewable energy.Research on the stand-alone photovoltaic system is the main content of this thesis. There is very comprehensive application for the stand-alone photovoltaic system. The stand-alone photovoltaic system is composed of the solar cell, storage battery, charger and inverter. Several key techniques, for instance , the MPPT(Maximum Power Point Tracking) are deeply studied in this thesis. Base on the mathematical model and the equivalent circuit, the solar cell simulation model in MATLAB/Simulink is built in order to research the MPPT, and the curve which is in accordance with the actual solar cell is attained. This work built the base for the further research on MPPT. There are many methods for MPPT, but the P&O(Perturb and Observe) method and the C.I. (Conductance incremental) method are applied most extensively, and these two methods are analyzed in detail. The algorithmic designs of the P&O method and the C.I. method are given in this thesis, and the algorithmic designs are simulated with the model of the solar cell in MATLAB/Simulink, and the result of simulation validated the correctness of the design of the two algorithms. Besides, take the P&O for instance, the factors which can affect the quality of the MPPT are discussed.KEY WORDS:Stand-alone photovoltaic system,Solar cell,MPPT目录前言 (1)第1章绪论 (2)1.1 发展光伏发电的意义 (2)1.1.1 保护气候和改善环境 (2)1.1.2 节省空间 (3)1.1.3 增加就业 (3)1.1.4 提供农村电力 (3)1.1.5 中国的特殊需求 (4)1.2 国内外光伏产业的发展及趋势 (4)1.2.1 世界光伏产业发展的现状和趋势 (4)1.2.2 国内光伏产业发展现状和趋势 (5)第2章光伏发电系统 (6)2.1 光伏发电系统的基本组成 (6)2.2 带有最大功率跟踪功能的光伏发电系统的基本组成 (6)第3章光伏阵列特性及其仿真模型的研究 (8)3.1 光伏电池的工作原理 (8)3.2 光伏电池等效电路分析 (9)3.3 光伏阵列的Simulink模型 (12)第4章光伏阵列最大功率点跟踪算法的研究 (18)4.1 光伏系统最大功率跟踪的原理 (18)4.2 最大功率跟踪点方法概述 (19)4.3 DC/DC变换电路实现MPPT的原理 (27)4.3.1 Boost变换电路 (28)4.3.2 Boost电路实现光伏阵列MPPT的仿真模型 (30)4.4 自适应占空比干扰观察法 (35)4.4.1 占空比干扰观察法的提出 (35)4.4.2 自适应控制技术介绍 (36)4.4.3 基于自适应控制思想的MPPT方法 (36)4.4.4 光伏阵列MPPT仿真模型的建立 (39)4.4.5 仿真结果与分析 (40)结论 (43)谢辞 (45)参考文献 (46)外文资料翻译 (49)前言长期以来，人们就一直在努力研究利用太阳能。