朱佳偉 王偉 李曉文 戚維春

摘要

通過研究光伏電池輸出特性和光伏系統(tǒng)最大功率點追蹤技術原理，提出了一種基于模糊控制算法的MPPT控制系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的硬件電路和控制算法進行了設計，同時搭建了控制系統(tǒng)仿真模型和原理樣機.在此基礎上，驗證了模糊控制算法在光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT方面的正確性和可行性，結果表明系統(tǒng)具有較好的魯棒性且動態(tài)性能良好

【關鍵詞】光伏發(fā)電系統(tǒng) MPPT 模糊控制

目前，全球范圍內能源問題和傳統(tǒng)能源的大量使用所引起的環(huán)境問題嚴峻，開發(fā)利用新能源是全人類面臨的共同課題。光伏發(fā)電以其清潔、可再生的獨特優(yōu)勢得到人們青睞，被越來越多的應用于電力、通信、交通等各個領域。最大功率點跟蹤（Maximum PowerPoint Tracking，MPPT）控制技術比起傳統(tǒng)的PWM光伏發(fā)電控制技術，成本更低，效率更高，因此成為提高光伏發(fā)電效率的有效方法。MPPT旨在輸出功率實時追蹤光伏電池的最大功率點，各種控制方法被不斷地提出并實踐，如恒定電壓控制法（Constant VoltageTracking，CVT）、擾動觀測法（Perturbationand Observation Method，P&O）、導納增量法（Incremental Conductance，INC）等。本文利用光伏電池輸出特性，研究并設計了一種基于模糊控制思想的MPPT光伏發(fā)電系統(tǒng)。充分發(fā)揮模糊控制方法處理被控對象為非線性且精確的數(shù)學模型難以得到情況時的優(yōu)越性，使系統(tǒng)能夠更快的跟蹤并且無振蕩的穩(wěn)定在最大功率點處，實現(xiàn)光伏電池輸出功率最大化，從而提高光能利用率。

1 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)原理

1.1 光伏電池

光伏電池基于光伏效應制作而成，半導體表面在太陽光的照射下，光子能量被吸收，使電子從價帶躍遷到導帶，從而產生電子——空穴對，實現(xiàn)光能到電能的轉變。實際工程應用中，光伏電池一般用如圖1所示電路進行等效。

在理想情況下，旁路電阻R_sh無窮大，串聯(lián)電阻R_s為0，得到如下關系式：

其電I_ph為光生電流，I₀為反向飽和電流，K為玻爾茲曼常數(shù)，A為二極管理想因子，T為絕對溫度，q為電子電荷量，U為光伏電池輸出電壓，I為光伏電池輸出電流。

工程上通常利用式（2）-（4）建立光伏電池數(shù)學模型，對其進行簡化研究分析。

其中，C₁、C₂為改進系數(shù)，I_sc、I_m、U_oc、U_m分別為光伏電池短路電流、峰值電流、開路電壓、峰值電壓。若光照強度或外界溫度發(fā)生變化時，光伏電池輸出為：

其中：α、β分別為電流、電壓溫度系數(shù)，S為外界光照強度，S_ref為標準光照強度，T為溫度，T_ref為標準溫度，U、I為在S_ref和T_ref下光伏電池輸出電壓和輸出電流，U'、I'分別為S和T下光伏電池的輸出電壓和輸出電流。故只需得到在S_ref和T_ref下光伏電池I_sc、1_m、U_oc、U_m四個參數(shù)即可得到光伏電池數(shù)學模型。表1給出標準外界條件（S=1000W/m²，T=25℃）下時光伏電池各參數(shù)值：

根據(jù)光伏電池數(shù)學模型，在Matlab/Simulink中搭建其仿真模型。由仿真結果可得如圖2所示的光伏電池P-U曲線（溫度恒定為25℃）和U-I曲線（光強恒定為1000W/m²）。

由圖2能夠看出，無論光照強度或外界溫度如何變化，光伏電池總能找到一個唯一確定但數(shù)值不同的最大功率點。

1.2 最大功率點跟蹤技術

利用控制方法令光伏電池始終工作在功率最大點，實現(xiàn)其最大功率輸出的控制技術被稱為最大功率點跟蹤技術。當內部阻抗等于外部阻抗時，電路輸出功率最大，MPPT技術就是基于此原理的自尋優(yōu)過程。控制器通過不斷調節(jié)光伏電池外部阻抗，使其等于內部阻抗，以獲得最大功率輸出。

光伏發(fā)電系統(tǒng)采用直流一直流變流電路（DC-DC Converter）實現(xiàn)最大功率點追蹤。常用的DC-DC變換器包括：Buck變換器，Boost變換器，Buck-Boost變換器等。Boost變換器在低壓側開關，輸出電流連續(xù)，且拓撲中的肖特基二極管可起到防止反向電流的作用。因此，系統(tǒng)采用Boost變換器，拓撲如圖3所示。

Boost變換器輸出電壓為：

其中，U_o為負載電壓，t_on和t_off分別為功率開關管導通和關斷時間，U_PV為光伏電池輸出電壓，T為開關周期，α為占空比。若忽略電路損耗，光伏電池的功率將全部被負載R_load消耗，即：結合式（9）、（10）可得：

其中：R，為光伏電池內阻，R_load為負載電阻。故只需調節(jié)導通占空比a即可實現(xiàn)對負載阻值的實時調節(jié)，實現(xiàn)阻值匹配，從而完成了光伏電池輸出功率的MPPT控制。

2 硬件電路設計

通過分析光伏電池在不同外界條件下輸出特性，設計基于模糊控制的MPPT光伏發(fā)電系統(tǒng)硬件方案如圖4所示。

系統(tǒng)由功率電路、控制電路和監(jiān)控電路三部分組成。系統(tǒng)輸入為太陽能電池板，采用36V多晶硅;電源電路為采樣電路、驅動電路和主控電路供電;控制電路以高性能DSP——TMS320F28335作為主控單元，完成基于MPPT的模糊控制控制算法，并利用自身外設CPWM發(fā)生器、A/D轉換器、FO等）實現(xiàn)功率器件驅動、系統(tǒng)自檢與保護、電氣參量的實時采集及故障報警;驅動保護電路采用光耦隔離器件及專用驅動芯片，其驅動保護信號均由主控芯片提供;監(jiān)控電路利用SCI模塊及接口電路實現(xiàn)與上位機基于RS-485總線技術的數(shù)據(jù)交換，實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，上位機采用LabVIEW軟件編制。

2.1 Boost變換器

當光伏電池工作在最大功率點時，電路預設參數(shù)如表2。

結合計算值，并考慮安全裕量，各元件參數(shù)選擇如表3。

IRF530驅動電路采用英飛凌專用門極驅動芯片IRS4427S，其驅動電路如圖5所示。

2.2 采樣調理電路

電壓、電流的精確采集對MPPT控制器控制效果有著直接的影響，而霍爾傳感器具有精度高、測量范圍廣、電氣隔離、可工作于惡劣環(huán)境中等諸多優(yōu)點，故系統(tǒng)使用霍爾傳感器檢測母線電壓、電流，采樣調理電路分別為圖6，圖7所示。電壓傳感器采用LV25-P/SP2，電流傳感器CSNF161。采樣信號經跟隨、濾波、放大后送至模擬數(shù)字轉換器（Analog to DigitalConverter，ADC）。

PT100鉑電阻測溫精度高，適用于惡劣工作場合，采樣調理電路設計靈活，系統(tǒng)采用恒流源電路進行溫度測量，如圖8所示。

可控精密穩(wěn)壓源穩(wěn)壓電路將電壓穩(wěn)定在5V，而后經電壓/電流轉換電路變恒流源信號并在PT100上形成電壓信號，經放大和光耦隔離后送入DSP內部ADC。

2.3 保護電路

保護電路將調理后采樣電壓信號與保護設定值進行比較，如有產生過壓、欠壓等故障信號，DSP迅速封鎖PWM輸出信號，同時LED故障指示燈點亮，電路如圖9所示。

2.4 電源電路

系統(tǒng)需要多種不同直流電源，且穩(wěn)定的供電電壓對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性起決定性作用。因此電源電路采用VICOR公司推出的36VC24C150BL，將12-48V的不穩(wěn)定供電電壓轉換為穩(wěn)定的24V直流電，之后采用COSEL公司推出的SUSlR52415B，ZUW62415，ZUS102405三種型號的DC-DC轉換器，分別將24V直流電轉換為15V，±15V，5V三種直流電提供給驅動電路，采樣調理電路，DSP供電電路及RS-485接口電路。

3 控制算法設計

光伏電池的最大功率點追蹤一般使用恒電壓控制法，擾動觀測法，導納增量法等控制算法實現(xiàn)。恒電壓控制法是指將光伏電池輸出電壓固定在某一恒定值，但其控制精度較差;擾動觀測法利用此輸出特性，不斷對光伏電池輸出電壓進行擾動，完成光伏電池的最大功率點追蹤，但會在最大功率點附近產生振蕩;導納增量法根據(jù)光伏電池輸出功率隨其輸出電壓變化率（dPPV/dUPV）規(guī)律進行最大功率點追蹤，具有良好控制效果，但控制算法復雜。

模糊控制法（Fuzzy Control Method）利用人類專家控制經驗，對于非線性、復雜對象的控制顯示了魯棒性好、控制性能高的優(yōu)點。光伏電池輸出特性具有強烈的非線性，且其精確數(shù)學模型難以獲取，故模糊控制十分適合于光伏電池的MPPT控制。其既可保證在瞬態(tài)時快速響應，而且還可降低功率振蕩，且當MPPT處于穩(wěn)態(tài)時具有良好的魯棒性。本系統(tǒng)采用Mamdani型模糊系統(tǒng)，系統(tǒng)仿真模型如圖1。所示。

該系統(tǒng)由兩個輸入變量（E（n）和D（n-1））和一個輸出變量D（n）組成，以上三個變量論域為，隸屬函數(shù)形狀為三角形，D（n）模糊子集為{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，E（n）模糊子集為{NB，NS，ZE，PS，PB}，D（n-1）模糊子集為{N，Z，P}。模糊控制的規(guī)則通常來源于專家的知識，且通常采用狀態(tài)評估模糊控制規(guī)則或目標評估模糊控制規(guī)則的形式來編寫模糊規(guī)則，系統(tǒng)模糊規(guī)則如表4所示。

表4中所表示模糊規(guī)則按照狀態(tài)評估模糊控制規(guī)則的形式依次為：

R₁：If（e（n）is NB）and（a（n-1）is N）then（a（n）is PB）

R₂：If（e（n）is NB）and（a（n-1）is Z）then（a（n）is NM）

R₃：If（e（n）is NB）and（a（n-1）is P）then（a（n）is NB）

R₁₅：If（e（n）is PB）and（a（n-1）is P）then（a（n）is PB）

其輸出曲面如圖11所示。

最后采用平均最大隸屬度法將模糊量轉換為清晰量，此清晰量為送給DC-DC變換器的占空比。

4 結果分析

根據(jù)系統(tǒng)硬件和軟件結構搭建原理樣機如圖12所示，并對3.3V和1.9V雙電源同時進行測試，得測試波形如圖13所示。

由測試波形可知，雙電源的穩(wěn)態(tài)值分別為3.36V和1.92V，1.9V電源的上電時刻在3.3V電源前，這樣的上電順序可以可靠的保證DSP正常工作。

在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建基于模糊控制的MPPT光伏系統(tǒng)仿真模型，其中模糊控制器比例因子K_e，K_a分別為0.1和35，仿真時間設置為0.7s，步長為0.001s，延時時間為0.0015s，負載為30Ω。該模型使用兩個階躍函數(shù)模塊來模擬光照強度及外界溫度的變化。設光伏電池的初始條件為：S=600W/m²，T=25℃;當?shù)竭_0.2s時，光照強度由600W/m²上升到800W/m²;到達0.4s時，外界溫度由25℃上升到60℃。經MPPT模糊算法控制后的光伏電池輸出功率曲線如圖14所示。

由圖14可得，當光照強度或外界溫度發(fā)生改變時，經模糊MPPT控制后，該系統(tǒng)可迅速追蹤到光伏電池最大功率點并達到穩(wěn)態(tài)，且功率振蕩十分小。由此說明，該系統(tǒng)動態(tài)性能較好，且在穩(wěn)態(tài)時具有良好的魯棒性。

5 結語

本文通過研究光伏電池輸出特性，結合模糊控制的特點，提出并設計了一套MPPT光伏發(fā)電系統(tǒng)。經過硬件電路設計、控制算法編制和Simulink仿真，驗證了在光伏最大功率點跟蹤發(fā)電系統(tǒng)方面模糊控制算法的正確性，結果表明系統(tǒng)具有較好的魯棒性且動態(tài)性能良好，體現(xiàn)了該控制策略在MPPT方面的可行性和優(yōu)越性。

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