非對(duì)稱模糊控制算法在MPPT中的應(yīng)用

張麗英

黑龍江工商學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025

0 引言

目前，光伏發(fā)電在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但仍存在一些問題亟待解決，主要包括降低生產(chǎn)成本、提高光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率、提高光伏系統(tǒng)的工作效率[1]。文章主要就提高光伏系統(tǒng)的工作效率方面，在分析光伏發(fā)電原理基礎(chǔ)上對(duì)其應(yīng)用系統(tǒng)的優(yōu)化控制進(jìn)行研究，利用非對(duì)稱模糊控制實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），使光伏電池時(shí)刻保持最大功率輸出。文章研究不僅實(shí)現(xiàn)了模糊控制對(duì)光伏電池最大功率點(diǎn)的跟蹤，而且針對(duì)光伏電池的非對(duì)稱特性，對(duì)最大功率點(diǎn)兩側(cè)建立獨(dú)立的輸入變量，實(shí)現(xiàn)了非對(duì)稱的模糊MPPT，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)模糊控制的優(yōu)化和改善，進(jìn)一步提高了控制的精度和跟蹤速度。

1 非對(duì)稱模糊MPPT仿真模型搭建

根據(jù)不同環(huán)境下的光照建立一個(gè)搜索MPPT的Simulink仿真電路模型，主要包括光伏陣列、Boost電路、非對(duì)稱模糊控制模塊、脈寬調(diào)制（PWM）模塊、負(fù)載等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MPPT系統(tǒng)仿真模型

在整個(gè)MPPT系統(tǒng)仿真模型中，三個(gè)太陽能光伏電池模塊從外界接收光照，利用非對(duì)稱模糊MPPT算法作為整個(gè)太陽能光伏系統(tǒng)追蹤的核心元件進(jìn)行搜索，以最快速完成最大功率追蹤，降低功率損失，提高光電轉(zhuǎn)換效率[2]。

1.1 PWM模塊

PWM組件為脈寬發(fā)生器，輸入量為控制模塊所輸出的占空比，經(jīng)其轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)對(duì)電路進(jìn)行控制[3]，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中，Out為輸出，Sample 1為樣本1。

圖2 PWM的仿真模型

1.2 Boost電路模塊

Boost電路的參數(shù)設(shè)定如下：升壓電感L=150 μH，濾波電容C1=200 μF，直流母線電容C2=200 μF，負(fù)載電阻R=40 Ω。Boost電路的開關(guān)由PWM發(fā)出的脈沖信號(hào)控制，其仿真模型如圖3所示。圖3中，V_PV為實(shí)時(shí)電壓輸入，I_PV為實(shí)時(shí)電流輸入，L1為電感，Diode1為二極管，Pulses為脈沖。

圖3 Boost電路仿真模型

1.3 控制模塊

控制模塊采用Simulink中的S-Function模塊，將編寫好的程序存入m文件，等待調(diào)用。該模塊的輸入量為光伏陣列的電壓、電流值，輸出量為占空比[4]，其仿真模型如圖4所示。

圖4 MPPT控制模塊

1.4 動(dòng)態(tài)光照模塊

動(dòng)態(tài)陰影情況下加入了Signal builder模塊，將光照設(shè)置呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，用于驗(yàn)證動(dòng)態(tài)光照情況下該算法的追蹤效果，如圖5所示。圖5中，Signal Builder為信號(hào)創(chuàng)建器，Group為組，Bus為總線。

圖5 Signal Builder光照模塊

對(duì)光照進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)置，第1秒內(nèi)光照強(qiáng)度為1 000 W/m2，第2秒內(nèi)光照強(qiáng)度為800 W/m2，第3秒內(nèi)光照強(qiáng)度為1 000 W/m2，變化具體設(shè)置如圖6所示。

圖6 光照模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 非對(duì)稱模糊MPPT控制仿真結(jié)果分析

在溫度T=25 ℃、日照為1 kW/m2的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，光伏電池的輸出電壓、電流和輸出功率的波形如圖7所示。

圖7 非對(duì)稱模糊MPPT控制輸出仿真圖

對(duì)稱與非對(duì)稱模糊MPPT仿真輸出比較如圖8所示。由圖8可以看出，光伏電池輸出曲線相對(duì)對(duì)稱模糊控制的響應(yīng)速度更快。

圖8 對(duì)稱與非對(duì)稱模糊MPPT仿真輸出比較

當(dāng)系統(tǒng)所受日照不變，溫度由25 ℃上升到30 ℃時(shí)，光伏電池的輸出電壓、電流、功率波形如圖9所示。

由圖9可以看出，非對(duì)稱模糊控制算法能夠很好地適應(yīng)溫度的變化，快速跟蹤到最大功率點(diǎn)，對(duì)輸出電壓進(jìn)行及時(shí)調(diào)節(jié)[5-6]。

圖9 溫度變化時(shí)光伏電池輸出

當(dāng)系統(tǒng)所受溫度不變，日照由1 kW/m2上升到1.25 kW/m2時(shí)，光伏電池的輸出電壓、電流、功率波形如圖10所示。

圖10 日照變化時(shí)光伏電池輸出

同樣，當(dāng)日照強(qiáng)度變化時(shí)，非對(duì)稱模糊控制算法也能很好地適應(yīng)其變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤。

通過利用電導(dǎo)增量法和模糊控制對(duì)MPPT控制進(jìn)行仿真，從仿真結(jié)果可以看出：（1）電導(dǎo)增量法會(huì)使輸出電壓、電流在最大功率點(diǎn)附近擾動(dòng)，從而使輸出功率在最大功率點(diǎn)值以下不斷振蕩；（2）對(duì)稱模糊控制算法能夠克服傳統(tǒng)算法的弊端，減小輸出電壓、電流的擾動(dòng)，使工作點(diǎn)穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)處；（3）非對(duì)稱模糊控制能夠改善對(duì)稱模糊控制不能反映最大功率點(diǎn)兩側(cè)區(qū)間不對(duì)稱的特性，進(jìn)一步提高對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤速度，同時(shí)對(duì)日照和溫度的變化都能表現(xiàn)出很好的性能。

3 非對(duì)稱模糊MPPT試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

根據(jù)上述的非對(duì)稱模糊控制MPPT算法，在數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）平臺(tái)上開發(fā)研制了一臺(tái)3 kW單相光伏并網(wǎng)逆變器，將采用的算法加載在并網(wǎng)逆變器的直流側(cè)。DSP在整個(gè)電路中起著控制核心的作用，因而其選型影響整個(gè)裝置的性能。

如圖11所示，系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)主要包括以下模塊：（1）主控電路，采用DSP控制器監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行；（2）逆變主電路，采用全橋逆變電路將電池板的直流電壓轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電流并入電網(wǎng)；（3）信號(hào)調(diào)理電路，將待測(cè)的各種信號(hào)經(jīng)過調(diào)理后輸入DSP內(nèi)部的A/D模塊；（4）供電模塊，將電池板的直流電壓經(jīng)過DC-DC轉(zhuǎn)換提供整個(gè)控制系統(tǒng)的工作電源；（5）存儲(chǔ)電路，采用I2C接口的E2PROM AT24LC512存儲(chǔ)并網(wǎng)逆變器的歷史工作數(shù)據(jù)，以便將來查詢；（6）顯示及報(bào)警電路，采用LCD結(jié)合LED的顯示方式，LCD的優(yōu)點(diǎn)是顯示的信息量大、內(nèi)容豐富，并且功耗小，但是只適合在近距離使用，因此在該系統(tǒng)中配合3個(gè)不同顏色的LED來進(jìn)行顯示和報(bào)警，方便直觀了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；（7）通信電路，提供RS232、CAN總線通信接口，可以通過上位機(jī)軟件方便地設(shè)定運(yùn)行參數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖11 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

單相光伏并網(wǎng)逆變器的主電路如圖12所示，開關(guān)管分別為VT1～VT4。

圖12 單相光伏并網(wǎng)逆變器主電路圖

開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形為正弦脈寬調(diào)制（SPWM）信號(hào)。通過樣機(jī)試驗(yàn)，上下橋臂兩開關(guān)管VT1、VT2驅(qū)動(dòng)波形如圖13所示，VT1、VT2的PWM波形分別為PWM1和PWM2。試驗(yàn)波形符合設(shè)計(jì)原理，即VT1、VT2不能同時(shí)導(dǎo)通，且當(dāng)VT1為方向臂時(shí)，VT2同為方向臂；當(dāng)VT1為斬波臂時(shí)，VT2同為斬波臂。

圖13 VT1、VT2開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形圖

開關(guān)管VT1、VT4驅(qū)動(dòng)波形如圖14所示，VT1和VT4的PWM波形分別為PWM1和PWM4。試驗(yàn)波形說明，當(dāng)VT1為方向臂時(shí)，VT4必為斬波臂；當(dāng)VT4為方向臂時(shí)，VT1則為斬波臂。

圖14 VT1、VT4開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形圖

為防止上下橋臂開關(guān)管直通，需要設(shè)置死區(qū)時(shí)間。死區(qū)波形如圖15所示。由圖15可見，死區(qū)時(shí)間約為2.3 μs時(shí)，可以避免同橋臂短路現(xiàn)象的發(fā)生。

圖15 上下橋臂開關(guān)管死區(qū)波形圖

電網(wǎng)電壓與DSP捕獲口所捕獲的方波試驗(yàn)波形如圖16所示，主要是為實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)電壓同步的功能。由于所捕獲的方波信號(hào)與電網(wǎng)電壓同相位，因此通過捕捉方波信號(hào)的上升沿并觸發(fā)中斷，便可得到電網(wǎng)電壓的過零點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)電壓同步的功能。

圖16 捕獲波形圖

單相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的建模仿真與樣機(jī)試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)合理，控制策略正確，可以實(shí)現(xiàn)單相光伏并網(wǎng)逆變器輸出的并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，即成功實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)下的并網(wǎng)。

4 結(jié)論

文章研究了可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，為了更加有效地提高其發(fā)電效率以及蓄電池電能的有效利用率，延長(zhǎng)蓄電池的壽命，實(shí)現(xiàn)了基于模糊控制的MPPT。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，建立了非對(duì)稱模糊控制的MPPT，該方法較傳統(tǒng)方法能進(jìn)一步提高發(fā)電效率[7-10]。

（1）文章實(shí)現(xiàn)了基于模糊控制的MPPT，并根據(jù)光伏電池在最大功率點(diǎn)兩側(cè)的非對(duì)稱特性，在模糊控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了非對(duì)稱的模糊MPPT控制。通過搭建光伏電池板的直流跟蹤仿真模型，表明非對(duì)稱模糊控制的速度更快，而較傳統(tǒng)的MPPT算法，非對(duì)稱模糊控制在速度和精度方面都有更好的性能。

（2）通過將文章采用的非對(duì)稱性模糊控制MPPT控制算法加載到單相并網(wǎng)逆變器中，表明該算法能夠有效抑制直流側(cè)電壓的波動(dòng)，穩(wěn)定直流側(cè)電壓，經(jīng)過并網(wǎng)逆變器的網(wǎng)側(cè)電壓和電流正弦度高，并能實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)。