非對稱模糊控制算法在MPPT中的應用

張麗英

黑龍江工商學院，黑龍江 哈爾濱 150025

0 引言

目前，光伏發電在國內外已經取得了長足的發展，但仍存在一些問題亟待解決，主要包括降低生產成本、提高光伏電池的光電轉換效率、提高光伏系統的工作效率[1]。文章主要就提高光伏系統的工作效率方面，在分析光伏發電原理基礎上對其應用系統的優化控制進行研究，利用非對稱模糊控制實現最大功率點跟蹤（MPPT），使光伏電池時刻保持最大功率輸出。文章研究不僅實現了模糊控制對光伏電池最大功率點的跟蹤，而且針對光伏電池的非對稱特性，對最大功率點兩側建立獨立的輸入變量，實現了非對稱的模糊MPPT，并實現了對模糊控制的優化和改善，進一步提高了控制的精度和跟蹤速度。

1 非對稱模糊MPPT仿真模型搭建

根據不同環境下的光照建立一個搜索MPPT的Simulink仿真電路模型，主要包括光伏陣列、Boost電路、非對稱模糊控制模塊、脈寬調制（PWM）模塊、負載等，其結構如圖1所示。

圖1 MPPT系統仿真模型

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

1.1 PWM模塊

PWM組件為脈寬發生器，輸入量為控制模塊所輸出的占空比，經其轉換為脈沖信號對電路進行控制[3]，其內部結構如圖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電路的參數設定如下：升壓電感L=150 μH，濾波電容C1=200 μF，直流母線電容C2=200 μF，負載電阻R=40 Ω。Boost電路的開關由PWM發出的脈沖信號控制，其仿真模型如圖3所示。圖3中，V_PV為實時電壓輸入，I_PV為實時電流輸入，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 動態光照模塊

動態陰影情況下加入了Signal builder模塊，將光照設置呈現動態變化，用于驗證動態光照情況下該算法的追蹤效果，如圖5所示。圖5中，Signal Builder為信號創建器，Group為組，Bus為總線。

圖5 Signal Builder光照模塊

對光照進行動態設置，第1秒內光照強度為1 000 W/m2，第2秒內光照強度為800 W/m2，第3秒內光照強度為1 000 W/m2，變化具體設置如圖6所示。

圖6 光照模塊內部結構

2 非對稱模糊MPPT控制仿真結果分析

在溫度T=25 ℃、日照為1 kW/m2的標準狀態下，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 非對稱模糊MPPT控制輸出仿真圖

對稱與非對稱模糊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對稱模糊控制的響應速度更快。

圖8 對稱與非對稱模糊MPPT仿真輸出比較

當系統所受日照不變，溫度由25 ℃上升到30 ℃時，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，非對稱模糊控制算法能夠很好地適應溫度的變化，快速跟蹤到最大功率點，對輸出電壓進行及時調節[5-6]。

圖9 溫度變化時光伏電池輸出

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

圖10 日照變化時光伏電池輸出

同樣，當日照強度變化時，非對稱模糊控制算法也能很好地適應其變化，實現對最大功率點的跟蹤。

通過利用電導增量法和模糊控制對MPPT控制進行仿真，從仿真結果可以看出：（1）電導增量法會使輸出電壓、電流在最大功率點附近擾動，從而使輸出功率在最大功率點值以下不斷振蕩；（2）對稱模糊控制算法能夠克服傳統算法的弊端，減小輸出電壓、電流的擾動，使工作點穩定在最大功率點處；（3）非對稱模糊控制能夠改善對稱模糊控制不能反映最大功率點兩側區間不對稱的特性，進一步提高對最大功率點的跟蹤速度，同時對日照和溫度的變化都能表現出很好的性能。

3 非對稱模糊MPPT試驗平臺設計與結果分析

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

如圖11所示，系統的整體硬件結構主要包括以下模塊：（1）主控電路，采用DSP控制器監控系統的運行；（2）逆變主電路，采用全橋逆變電路將電池板的直流電壓轉換為與電網電壓同頻同相的交流電流并入電網；（3）信號調理電路，將待測的各種信號經過調理后輸入DSP內部的A/D模塊；（4）供電模塊，將電池板的直流電壓經過DC-DC轉換提供整個控制系統的工作電源；（5）存儲電路，采用I2C接口的E2PROM AT24LC512存儲并網逆變器的歷史工作數據，以便將來查詢；（6）顯示及報警電路，采用LCD結合LED的顯示方式，LCD的優點是顯示的信息量大、內容豐富，并且功耗小，但是只適合在近距離使用，因此在該系統中配合3個不同顏色的LED來進行顯示和報警，方便直觀了解系統的運行狀態；（7）通信電路，提供RS232、CAN總線通信接口，可以通過上位機軟件方便地設定運行參數，監控系統的運行狀態。

圖11 系統整體結構框圖

單相光伏并網逆變器的主電路如圖12所示，開關管分別為VT1～VT4。

圖12 單相光伏并網逆變器主電路圖

開關管驅動波形為正弦脈寬調制（SPWM）信號。通過樣機試驗，上下橋臂兩開關管VT1、VT2驅動波形如圖13所示，VT1、VT2的PWM波形分別為PWM1和PWM2。試驗波形符合設計原理，即VT1、VT2不能同時導通，且當VT1為方向臂時，VT2同為方向臂；當VT1為斬波臂時，VT2同為斬波臂。

圖13 VT1、VT2開關管驅動信號波形圖

開關管VT1、VT4驅動波形如圖14所示，VT1和VT4的PWM波形分別為PWM1和PWM4。試驗波形說明，當VT1為方向臂時，VT4必為斬波臂；當VT4為方向臂時，VT1則為斬波臂。

圖14 VT1、VT4開關管驅動信號波形圖

為防止上下橋臂開關管直通，需要設置死區時間。死區波形如圖15所示。由圖15可見，死區時間約為2.3 μs時，可以避免同橋臂短路現象的發生。

圖15 上下橋臂開關管死區波形圖

電網電壓與DSP捕獲口所捕獲的方波試驗波形如圖16所示，主要是為實現與電網電壓同步的功能。由于所捕獲的方波信號與電網電壓同相位，因此通過捕捉方波信號的上升沿并觸發中斷，便可得到電網電壓的過零點，從而實現與電網電壓同步的功能。

圖16 捕獲波形圖

單相光伏并網逆變系統的建模仿真與樣機試驗表明，該系統的軟硬件設計合理，控制策略正確，可以實現單相光伏并網逆變器輸出的并網電流與電網電壓同頻同相，即成功實現單位功率因數下的并網。

4 結論

文章研究了可調度式光伏并網發電系統，為了更加有效地提高其發電效率以及蓄電池電能的有效利用率，延長蓄電池的壽命，實現了基于模糊控制的MPPT。在此基礎上進行改進，建立了非對稱模糊控制的MPPT，該方法較傳統方法能進一步提高發電效率[7-10]。

（1）文章實現了基于模糊控制的MPPT，并根據光伏電池在最大功率點兩側的非對稱特性，在模糊控制的基礎上進行改進，實現了非對稱的模糊MPPT控制。通過搭建光伏電池板的直流跟蹤仿真模型，表明非對稱模糊控制的速度更快，而較傳統的MPPT算法，非對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稱性模糊控制MPPT控制算法加載到單相并網逆變器中，表明該算法能夠有效抑制直流側電壓的波動，穩定直流側電壓，經過并網逆變器的網側電壓和電流正弦度高，并能實現單位功率因數并網。