基于FPGA新型太阳能发电控制器的硬件实现

2016-05-11胡广洲张春志张尔东

中国新通信 2016年7期

胡广洲张春志张尔东

【摘要】介绍了一种基于FPGA的嵌入式系统芯片（EP4C15F17C8）为核心的新型太阳能发电控制器，阐述了控制器的整体设计过程，对充放电电路进行了详细的分析，并给出了控制器的各项性能指标；结果表明，此控制器具有可靠性高、结构简单、精度高等特点，各项性能指标符合国家标准的要求，可以满足实际需要。

【关键词】太阳能发电控制器 FPGA

引言

太阳能作为可再生能源，被越来越多的国家所重视；获取太阳能的方式主要是通过太阳能电池板把光能转换为电能。太阳能可再生、绿色纯净无污染，符合各国所倡导的可持续发展的战略。

许多发达国家对太阳能的利用已基本实现了规模化，但在我国，太阳能发电的使用主要还集中在电力输送不发达的地区，或是交通不便的边远地区。太阳能发电的核心是太阳能发电控制器，控制器的主要作用是，对蓄电池充放电过程的控制，当出现过充、过放以及负载过载或短路情况出现时，提供有效的保护或报警[1]。

一、控制器的结构

太阳能发电系统是否稳定，是由控制器的性能决定的。本控制器以FPGA作为核心控制器件。整体框图如图1所示。

控制器的蓄电池采用多组串联的方式进行连接，额定电压达到50V；防雷电路采用击穿电压达到80V左右的瞬态电压抑制（双向TVS）二极管，实际使用保护效果突出。控制器能主动实时采集蓄电池的充放电电流参数，参数的采集是通过分流器实现的，FPGA对采集到的数据进行处理后，把计算得出的实际电流显示在LED屏上；同时可根据此参数来判断负载是否过载或短路。

温度传感器会采集系统周围的温度参数，然后传送给 FPGA，FPGA对这个参数处理后，控制相应的传感器对其进行相应的温度补偿[2]。

二、控制器电路分析

2.1 FPGA最小系统

2.1.1 选择FPGA

本控制器选择的是60nm的FPGA-CycloneIV系列的EP4C15F17C8。这款芯片采用经过优化的60-nm低功耗工艺。最新一代器件降低了内核电压，与前一代产品相比，总功耗降低了25%。

2.1.2 FPGA配置芯片选择及配置电路设计

为了提高FPGA的数据处理性能，选择一片具有64 Mbits的闪存、具有ISP以及不限次重复编程功能的EPCS64作为FPGA的配置芯片。支持JTAG边界扫描，配置电压为3.3V。

本系统采用的配置方式为AS模式（主动串行）[3]。

2.1.3 电源模块、电流采样及电压采样模块分析

太阳能电池板在给蓄电池充电过程中，会出现一个浮充电状态，此状态下，蓄电池电压会产生较大的纹波；所以在设计控制器的电源时，要考虑到这个纹波对整个控制系统的影响。

控制器是通过对蓄电池组电压的判断，来决定是否开启太阳能发电系统，对蓄电池组进行充电。

通过对充放电回路中分流器端电压的采集，计算出回路中电流的大小[4]。