基于FPGA新型太陽能發電控制器的硬件實現

胡廣洲 張春志 張爾東

【摘要】 介紹了一種基于FPGA的嵌入式系統芯片（EP4C15F17C8）為核心的新型太陽能發電控制器，闡述了控制器的整體設計過程，對充放電電路進行了詳細的分析，并給出了控制器的各項性能指標；結果表明，此控制器具有可靠性高、結構簡單、精度高等特點，各項性能指標符合國家標準的要求，可以滿足實際需要。

【關鍵詞】 太陽能發電 控制器 FPGA

引言

太陽能作為可再生能源，被越來越多的國家所重視；獲取太陽能的方式主要是通過太陽能電池板把光能轉換為電能。太陽能可再生、綠色純凈無污染，符合各國所倡導的可持續發展的戰略。

許多發達國家對太陽能的利用已基本實現了規模化，但在我國，太陽能發電的使用主要還集中在電力輸送不發達的地區，或是交通不便的邊遠地區。太陽能發電的核心是太陽能發電控制器，控制器的主要作用是，對蓄電池充放電過程的控制，當出現過充、過放以及負載過載或短路情況出現時，提供有效的保護或報警[1]。

一、控制器的結構

太陽能發電系統是否穩定，是由控制器的性能決定的。本控制器以FPGA作為核心控制器件。整體框圖如圖1所示。

控制器的蓄電池采用多組串聯的方式進行連接，額定電壓達到50V；防雷電路采用擊穿電壓達到80V左右的瞬態電壓抑制（雙向TVS）二極管，實際使用保護效果突出。控制器能主動實時采集蓄電池的充放電電流參數，參數的采集是通過分流器實現的，FPGA對采集到的數據進行處理后，把計算得出的實際電流顯示在LED屏上；同時可根據此參數來判斷負載是否過載或短路。

溫度傳感器會采集系統周圍的溫度參數，然后傳送給 FPGA，FPGA對這個參數處理后，控制相應的傳感器對其進行相應的溫度補償[2]。

二、 控制器電路分析

2.1 FPGA最小系統

2.1.1 選擇FPGA

本控制器選擇的是60nm的FPGA-CycloneIV系列的EP4C15F17C8。這款芯片采用經過優化的60-nm低功耗工藝。最新一代器件降低了內核電壓，與前一代產品相比，總功耗降低了25%。

2.1.2 FPGA配置芯片選擇及配置電路設計

為了提高FPGA的數據處理性能，選擇一片具有64 Mbits的閃存、具有ISP以及不限次重復編程功能的EPCS64作為FPGA的配置芯片。支持JTAG邊界掃描，配置電壓為3.3V。

本系統采用的配置方式為AS模式（主動串行）[3]。

2.1.3 電源模塊、電流采樣及電壓采樣模塊分析

太陽能電池板在給蓄電池充電過程中，會出現一個浮充電狀態，此狀態下，蓄電池電壓會產生較大的紋波；所以在設計控制器的電源時，要考慮到這個紋波對整個控制系統的影響。

控制器是通過對蓄電池組電壓的判斷，來決定是否開啟太陽能發電系統，對蓄電池組進行充電。

通過對充放電回路中分流器端電壓的采集，計算出回路中電流的大小[4]。

三、結束語

經過多次測試，隨機抽取其中四組數據，如表1所示。

日期：2015年9月。

地點：哈爾濱市。

溫度：白天27-33℃，晚上17-25℃。

表1 隨機抽取的4組數據

太陽能發電控制器作為太陽能發電系統的核心部分，其性能的好壞直接影響到發電系統的發電效率和可靠性；所以，整個系統的硬件設計與軟件編程以及調試尤為重要。本設計能夠延長蓄電池模塊的使用壽命，發電效率得到了提高并穩定持續，具有推廣使用的價值。

參 考 文 獻

[1] 張鵬，王興君，王松林.小功率智能型太陽能控制器的設計[J].現代電子技術.2007（18）

[2] 王鶴，楊宏，王雪冬，潘月清，段景漢，王鴻麟.延長閥控密封鉛酸蓄電池壽命研究--過充電保護與溫度補償特性[J].電源技術.2001（03）

[3] EDA先鋒工作室，吳繼華，王誠.Altera FPGA/CPLD設計（高級篇）[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[4] 沙占友，李學芝，邱凱等.新型特種集成電源及應用[M].北京：人民郵電出版社，1999.