基于FPGA的MPPT控制技术研究

论文摘要

太阳能作为一种绿色可再生能源受到人们的青睐,其中太阳能光伏发电技术成为各国竞相发展的领域。但目前光伏发电存在的主要问题是光伏电池的利用率较低,因此提高光伏电池的利用率成为光伏发电中的焦点。MPPT控制技术是目前公认的提高光伏电池效率的有效手段,因此,MPPT控制方法的研究成为光伏发电的一个重要方面。针对提高光伏电池转换效率,在对传统的控制方法分析比较的基础上,对扰动观察法进行了改进,提出了一种基于FPGA器件的数字化实现最大功率点跟踪控制的设计方法。利用Altera公司的EDA工具QuartusⅡ软件,采用自顶向下的方法对该控制器进行了RTL级详细设计。整个MPPT控制器运用模块化结构设计,各模块易于移植,整个控制系统便于功能扩展和升级。设计完成后,对各模块进行了仿真。最后,将程序下载到EP1C3T144C8N芯片中,在FPGA开发板上对系统功能进行了测试。应用所设计的MPPT控制器搭建了最大功率点跟踪的实验电路,其中以Boost变换器电路作为实现MPPT控制的主电路。对传统扰动法和改进后的扰动法进行对比实验研究,其结果表明,改进后的方法使跟踪精度提高到75%以上,比传统方法至少提高了9个百分点,跟踪精度明显优于传统方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.1.1 课题的研究背景
• 1.1.2 课题的研究意义
• 1.2 太阳能光伏发电产业的现状及发展趋势
• 1.2.1 太阳能光伏发电的现状与发展趋势
• 1.2.2 最大功 点跟踪的现状及发展趋势
• 1.3 本文主要内容
• 2 太阳能光伏发电系统组成及最大功率点跟踪技术
• 2.1 太阳能光伏发电系统的组成
• 2.2 太阳能光伏系统的分类
• 2.2.1 独立光伏发电系统
• 2.2.2 并网光伏发电系统
• 2.2.3 混合光伏发电系统
• 2.3 太阳能光伏发电最大功率跟踪技术
• 2.3.1 光伏电池的特性
• 2.3.2 外界环境对光伏阵列的影响
• 2.3.3 最大功 跟踪的理论依据
• 2.3.4 最大功 点跟踪的原理
• 2.4 最大功率点跟踪的控制策略
• 2.4.1 最大功 点跟踪的常用控制策略
• 2.4.2 改进的扰动观察法
• 2.5 本章小结
• 3 基于FPGA 的MPPT 控制器设计
• 3.1 FPGA 概述
• 3.1.1 FPGA 器件
• 3.1.2 Cyclone FPGA 系列
• 3.1.3 FPGA 设计流程
• 3.2 控制器的总体设计方案
• 3.3 MPPT 控制算法模块的设计
• 3.4 寄存器模块的设计
• 3.5 数值乘法器模块的设计
• 3.6 A/D 转换控制模块的设计
• 3.7 PWM 产生模块的设计
• 3.8 三角波产生模块的设计
• 3.9 本章小结
• 4 实现MPPT 的开关变换器设计
• 4.1 典型DC-DC 变换器介绍
• 4.1.1 降压变换器（Buck Converter）
• 4.1.2 升压变换器（Boost Converter）
• 4.1.3 Buck 变换器与 Boost 变换器的分 比较
• 4.2 Boost 变换器电路的分析与设计
• 4.2.1 波电感的临界参数设计
• 4.2.2 波电容的参数设计
• 4.2.3 光伏发电系统中Boost 变换器功能的实现
• 4.2.4 Boost 变换器的参数设计
• 4.3 本章小结
• 5 MPPT 控制系统实例及实验结果
• 5.1 MPPT 控制系统技术指标
• 5.2 外围硬件电路的实现
• 5.2.1 主电路的结构
• 5.2.2 电压采样电路
• 5.2.3 电流采样电路
• 5.2.4 A/D 转换电路
• 5.2.5 驱动电路
• 5.2.6 MPPT 控制系统参数
• 5.3 基于FPGA 的MPPT 控制器仿真及功能实现
• 5.3.1 控制器仿真
• 5.3.2 FPGA 下载及配
• 5.3.3 MPPT 控制器实验
• 5.4 实验结果及分析
• 5.4.1 实验电路
• 5.4.2 实验结果
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献