本实用新型涉及一种控制系统，尤其是涉及一种用于光伏发电系统的、基于现场可编程门阵列(FPGA)的最大功率控制系统。
背景技术：
随着世界能源危机加剧和人类生存环境日益恶化，太阳能绿色能源开发，越来越来得到了人们的关注和重视。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。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，使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(MPPT)问题，做过大量研究工作，提出很多MPPT算法。例如，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最大功率跟踪(MPPT)算法。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。根据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。针对扰动观察法(P&O)算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。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MPPT算法等等。
然而上述算法都具有缺点，相应的硬件要求高，结构复杂。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)，采用三点比较最大功率跟踪(MPPT)算法，设计的一款光伏系统最大功率跟踪(MPPT)控制系统。该最大功率跟踪控制器，能够适应更简易、高效的算法。
具体而言，本发明采用如下技术方案：
一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的最大功率控制系统，包括最大功率跟踪控制器，所述最大功率跟踪控制器包括Avalon(阿瓦隆)接口单元，寄存器文件单元和任务逻辑单元，Avalon(阿瓦隆)接口单元一端通过设定Avalon(阿瓦隆)接口类型信号线与Avalon(阿瓦隆)总线相连，另一端通过内部数据线与寄存器文件单元相互通信；寄存器文件单元中设定有多个寄存器，所述寄存器文件单元与任务逻辑单元相互通信；任务逻辑单元包括最大功率跟踪控制模块和A/D转换控制模块，任务逻辑单元还通过应用端口信号与外部芯片相连，所述外部芯片为8通道同步数据采集芯片，能够同时采集输入电流和电压，所述A/D转换控制模块在A/D转换时，能够根据所述外部芯片的输出电平的高低，确定所述外部芯片的工作状态。
进一步的，在Avalon接口单元为Avalon-MM接口类型，还具有时钟、片选、地址、复位、读取、写入、读取数据和写入数据信号接口。
进一步的，所述多个寄存器包括控制寄存器Control_Reg、采样倍率寄存器Sample_Reg、电压寄存器Volt_Reg、电流寄存器Current_Reg、PWM占空寄存器和3个功率寄存器Power_Reg。
本实用新型的有益效果为：本实用新型的光伏MPPT控制系统，工作稳定，能快速跟踪光伏电池最大功率点，具有较好的实用价值。
附图说明
当结合附图考虑时，参考下面的描述能够很好的理解本实用新型的结构、原理、工作特点和优点，但此处说明的附图用来对本实用新型的进一步解释，所附示意图只是为了更好的对本实用新型进行说明，并不对本实用新型构成不当限定，其中：
图1为本实用新型基于FPGA的最大功率控制系统的最大功率跟踪控制器的IP核装置的逻辑结构示意图；
图2是本实用新型的基于FPGA的最大功率控制系统的最大功率跟踪控制器的IP核装置所实现的三点比较MPPT算法的原理图；
图3是本实用新型的基于FPGA的最大功率控制系统的最大功率跟踪控制器IP核装置的VerlogHDL语言实现流程图；
图4是本实用新型的基于FPGA的最大功率控制系统的最大功率跟踪控制器的IP核装置的A/D控制器实现流程图；
图5是本实用新型的基于FPGA的最大功率控制系统的测试效果图。
具体实施方式
下面结合实例和附图对本实用新型作进一步的描述，应当指出的是，以下实施例仅仅为示意性的，其并非意图限制本实用新型。
如图1所示，该最大功率跟踪控制器包括Avalon接口单元，该Avalon接口单元与寄存器文件单元相互通信，寄存器文件单元与任务逻辑单元相互通信。其中，
根据Avalon总线规范，把最大功率(MPPT)跟踪控制器IP核装置分成Avalon接口单元、寄存器文件单元和任务逻辑单元大功能模块。
在Avalon接口单元中，通过定义Avalon总线接口类型及其信号，把MPPT控制模块天衣无缝连接到SOPC系统中。Avalon接口单元，是MPPT控制IP核的前端单元，一端通过定义Avalon接口信号线与Avalon总线相连，另一端通过内部数据线与寄存器文件单元相互通信。Avalon接口单元的地址译码器，用于对地址信号进行译码，能实现NiosII软核CPU通过地址来访问寄存器。在本IP核设计中，本IP核选择采用Avalon-MM接口类型，还定义了时钟(clk)、片选(chipselect)、地址(address)、复位(reset)、读取(read)、写入(write)、读取数据(readdata)和写入数据(writedata)等信号。
在寄存器文件中定义一定数目寄存器，这些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1-3和PWM占空比寄存器等。内部寄存器是任务逻辑和NiosII软核CPU的桥梁，用于保存控制指令和数据。在本控制IP核中，一共定义了8个寄存器，它们是控制寄存器Control_Reg、采样倍率寄存器Sample_Reg、电压寄存器Volt_Reg、电流寄存器Current_Reg、PWM占空寄存器Duty_Reg和3个功率寄存器Power_Reg寄存器，
在任务逻辑单元中，通过定义了MPPT控制模块和A/D转换控制模块，实现MPPT控制功能，任务逻辑单元还通过应用端口信号与外围的AD7606芯片相连。任务逻辑单元是MPPT控制模块。任务逻辑单元用硬件描述语言Verlog HDL来设计。
该最大功率跟踪控制器用于实现三点比较MPPT算法，三点比较MPPT算法的原理如图2所示，假设点A是当前工作点，并在点A前后再分别选取B和C两点作为比较点。由图2可知：当前工作点A的位置关系有如下几种情况：(1)当关系式PC<PA<PB或PC<PA≤PB成立时，说明当前工作点A位于最大功率点(UM)的左边；(2)当关系式PC>PA>PB或PC≥PA>PB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PC<PA和PA>PB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MPPT算法扰动方向由A、B和C三点功率大小共同确定，扰动方向如(1)式所示。
图3为MPPT控制器的VerlogHDL语言实现流程图，为了提高可靠性，本设计采用状态机实现三点比较MPPT算法。
在第1个时钟上升沿到来时，状态机先设置当前工作状态的PWM模块占空比值DPWM,等到第2个时钟上升沿时，状态机读取当前工作状态下的功率PA，并设置好B点处的PWM模块占空比值DPWM-1，等到第3个时钟上升沿到来时，状态机读取B点的光伏电池输出功率功率PB并设置C点处的PWM模块占空比值DPWM+1，等到第4个时钟上升沿到来时，状态机读再取光伏电池输出功率PC，等到第5个时钟上升沿到来时，状态机才比较PA、PB和PC三点功率大小，确定搜索方向：当PC<PA≤PB成立时，沿正方向搜索MPP，占空比值加1；当关系式PC≥PA>PB成立时，沿负方向搜索MPP，占空比值减1；其它关系成立时，搜索方向保持不变。
为了提高可控制精度，本设计采用AD7606对输入电流和电压进行同步采集。AD7606是亚德诺半导体技术有限公司的8通道同步数据采集芯片。当芯片的两个CONVSTA和CONVSTB连在一起时，AD7606能同时对8路模拟信号进行采集。在芯片A/D转换过程中，AD7606的BUSY变为逻辑高电平，直到转换结束才变低电平，A/D控制器通过检测BUSY的电平的高低，了解AD7606工作状态。图4为A/D控制器的VerlogHDL语言实现流程图。
经过测试，测试结果如图5所示，第1条曲线为光伏电池的电流输出曲线，第2条曲线为光伏电池的电压输出曲线，第3条曲线为光伏电池的功率输出曲线。从图4可以看出，在跟踪前，光伏电池的输出电压、电流和输出功率基本上保持不变，光伏电池的输出功率大约为2.8瓦。当跟踪启动后，跟踪器沿负方向跟踪光伏电池MPP，这时，光伏电池的输出电压变小，而光伏电池的输出电流和输出功率变大，大约经过70毫秒，光伏电池的输出电压、电流和输出功率都趋于稳定，光伏电池的输出功率稳定在6.5瓦，因此，本MPPT控制器跟踪时间大约为70毫秒，具有响应速度快、可靠性高优点。
尽管已经结合实施例对本实用新型进行了详细地描述，但是本领域技术人员应当理解地是，本实用新型并非仅限于特定实施例，相反，在没有超出本申请精神和实质的各种修正，变形和替换都落入到本申请的保护范围之中。