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基于模糊控制MPPT的單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)
來源:電子技術應用2010年第6期
凌六一
安徽理工大學 電氣與信息工程學院,安徽 淮南232001
摘要: 采用模糊控制算法實現(xiàn)光伏陣列最大功率點跟蹤,利用軟件鎖相技術完成逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓的頻率和相位同步。實驗結果表明,該系統(tǒng)的設計能滿足并網(wǎng)要求,而且模糊控制可有效消除最大功率點振蕩現(xiàn)象。
中圖分類號: TM615
文獻標識碼: A
Photovoltaic grid-connected system based on fuzzy control to realize MPPT
LING Liu Yi
Institute of Electric and Information Technology, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001,China
Abstract: Fuzzy control is used to track maximum power point of photovoltaic system and software phase-locked method controls output current of inverter to synchronously track frequency and phase of power grid. The test result shows that the system can meet the requirements of grid-connected and fuzzy control can effectively eliminate the oscillation while operating at the maximum power point.
Key words : photovoltaic;grid-connected;fuzzy control;software phase-locked

    能源短缺和環(huán)境污染己成為制約人類社會可持續(xù)發(fā)展的兩大重要因素,大力發(fā)展新的可替代能源己成為當務之急。光伏發(fā)電作為一種新的電能生產(chǎn)方式,以其無污染、安全、資源豐富、分布廣泛等特點顯示出廣闊的發(fā)展空間和應用前景。為了充分提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率,必須采用適當?shù)淖畲蠊β庶c跟蹤MPPT(Maximum Power Point Tracking)算法控制光伏發(fā)電變換器,使系統(tǒng)保持運行在光伏陣列最大功率點附近。常用的光伏陣列最大功率點跟蹤算法包括固定電壓法[1]、擾動觀察法[1-3]、爬山法[4]和導納增量法[5]等,但這些方法在實際使用中存在不同的缺點,跟蹤效果不理想、硬件實現(xiàn)復雜。由于光伏陣列具體的數(shù)學模型不明確,無法掌握環(huán)境溫度和日照強度的變化規(guī)律,使得跟蹤系統(tǒng)存在較高的復雜性和模糊性。為此,本系統(tǒng)運用模糊自尋優(yōu)方法來實現(xiàn)光伏陣列最大功率點的跟蹤。
1 光伏電池特性
    目前光伏系統(tǒng)中使用的太陽能電池多為硅太陽電池,參考文獻[6]給出了其輸出電壓、電流的關系方程:

    光伏電池陣列輸出具有明顯的非線性特征,圖1所示為光伏電池的輸出功率-電壓(P-U)曲線。由圖1可見,光伏電池輸出功率受光照強度S及電池溫度的影響較大。當光照強度增加時,電池開路輸出電壓變化不大,短路電流明顯增加,最大輸出功率增加;當溫度增加時,電池開路輸出電壓下降,短路電流略有增加,最大輸出功率減小。在一定的光照強度和電池溫度下,光伏電池在某點輸出電壓上,可使其輸出功率達到最大值,這點就是光伏電池的最大功率點(對應P-U曲線的最高點)。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)結構組成與功能實現(xiàn)
    光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由DC-DC(Boost升壓電路)和DC-AC兩級變換器構成,整個系統(tǒng)的控制核心采用浮點型DSP控制器TMS320F28335,如圖2所示。其中,Boost升壓電路主要是提高光伏電池陣列的功率轉(zhuǎn)化效率,對光伏電池陣列進行最大功率點跟蹤,并且把光伏電池陣列輸出的電壓提升為能滿足逆變并網(wǎng)要求的直流母線電壓。DC-AC逆變器在SPWM信號驅(qū)動下完成將直流電逆變成與電網(wǎng)電壓同幅同頻的單相交流電,使并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同相位,提高了功率因數(shù)。

2.1 模糊控制的MPPT實現(xiàn)
    由圖1可見,在不同的溫度和光照強度下,光伏電池最大輸出功率的位置是不同的。當光伏電池工作在最大功率點左側時,控制系統(tǒng)應增大光伏電池的輸出電壓;而當工作在最大功率點右側時,反而要減小光伏電池的輸出電壓。因此,控制系統(tǒng)需不斷檢測并判斷輸出功率的變化,以調(diào)整光伏電池的輸出電壓,從而使其工作點不斷向最大功率點移動??梢?,實現(xiàn)MPPT的實質(zhì)為動態(tài)自尋優(yōu)過程,其控制策略為實時檢測光伏陣列的輸出功率,采用一定的控制算法預測當前情況下光伏電池可能的最大功率輸出,通過改變光伏電池的輸出電壓來滿足最大功率輸出的要求。為此采用了圖3所示的Boost升壓變換電路。
    Boost升壓變換電路輸入電壓與輸出電壓之間的關系為:
   
    圖3中的負載RL實際為蓄電池,因此Uo的值就被鉗制為蓄電池兩端的電壓。由式(2)可知,當改變PWM占空比D時,Ui則跟著變化且與D成反比。所以,通過控制D就能找到最大功率點所對應的電壓Ui,從而使光伏電池輸出最大功率。

    由于光伏陣列具體的數(shù)學模型不明確,無法掌握環(huán)境溫度和日照強度的變化規(guī)律。因此,系統(tǒng)存在較大的復雜性和模糊性,在此運用模糊自尋優(yōu)方法來實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。
2.1.1 確定模糊控制器輸入輸出

    由于隸屬函數(shù)曲線的形狀越尖,相應模糊集合分辨率越高,控制靈敏度也越高。同時為了使模糊化算法簡單,提高控制實時性,模糊集合的隸屬函數(shù)取為三角形對稱分布,如圖4所示。

2.1.3 確定模糊控制規(guī)則
    制定模糊控制規(guī)則遵循的基本原則:當誤差大或較大時,控制量輸出以盡快消除誤差為主;當誤差較小時,控制量輸出要注意防止產(chǎn)生超調(diào),以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主。模糊控制規(guī)則應用IF-AND-THEN規(guī)則,模糊控制規(guī)則如表1所示。


    對于給定e(n)和Δe(n),模糊控制器通過Mamdani極大極小值推理法進行推理得到ΔD(n),解模糊采用加權平均法,加權因子取為組成模糊控制向量的元素自身的隸屬度。
2.2 逆變并網(wǎng)實現(xiàn)
    光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)要求逆變器的輸出波形為正弦波,輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相,因此其控制策略與一般獨立的電壓型逆變器的控制策略有所不同,需考慮頻率、相位跟蹤問題。本系統(tǒng)采用的DC-AC逆變主電路采用全橋結構,輸出經(jīng)濾波后為220 V/50 Hz的工頻交流電,如圖5所示。

2.2.1 SPWM波形的生成
    正弦脈寬調(diào)制(SPWM)作為一種常用的調(diào)制技術被廣泛應用于逆變電路中,本系統(tǒng)采用雙極性SPWM調(diào)制來實現(xiàn)DC-AC變換。對于圖5中的開關管,要求VT1、VT4和VT2、VT3輪流導通,因此只需兩路成互補SPWM波即可。為此,利用TMS320F28335的ePWM模塊中的ePWM1來產(chǎn)生兩路互補對稱的SPWM波,分別從ePWM1A和ePWM1B腳輸出,同時還可實現(xiàn)死區(qū)控制,避免上下兩管同時導通。具體波形產(chǎn)生過程為:設置ePWM1的時基計數(shù)器為連續(xù)增減方式,計數(shù)周期為載波周期的1/2。在計數(shù)的過程中,比較寄存器CMPA(和CMPB)與計數(shù)值不斷比較,當數(shù)值匹配時,ePWM1A(和ePWM1B)引腳電平翻轉(zhuǎn),由于在增計數(shù)和減計數(shù)過程中數(shù)值匹配分別發(fā)生1次,即在1個周期內(nèi)翻轉(zhuǎn)2次,所以產(chǎn)生對稱的PWM波形。只要在每個PWM周期根據(jù)在線計算改寫比較寄存器的值,就可實時改變脈沖占空比,從而形成完整的SPWM波。其中,比較寄存器內(nèi)容實時更新的公式為:

2.2.2 頻率跟蹤與相位同步實現(xiàn)
    標準的電網(wǎng)頻率為50 Hz,通常情況下,實際頻率會有小范圍的波動。對此,必須采取措施控制光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電流,使其對電網(wǎng)電壓進行頻率跟蹤和相位同步。本系統(tǒng)采用軟件鎖相實現(xiàn)對同步的要求。
    實現(xiàn)頻率跟蹤,首先要檢測電網(wǎng)的工作頻率??蓪㈦娋W(wǎng)電壓通過過零比較電路,變成與之同相位的方波信號,作為TMS320F28335捕獲單元ECAP1的捕獲事件,連續(xù)2次捕獲時的計數(shù)差值就是被測電網(wǎng)電壓信號的周期值。然后,在下一個SPWM周期,更新N與比較寄存器CMP的值,使逆變器輸出與電網(wǎng)同頻的正弦波形??紤]到逆變器后級濾波器的設計,Tc固定不變,因此,N隨電網(wǎng)頻率的變化而變化。
    要實現(xiàn)相位同步,可再將逆變器的輸出通過過零比較變成方波后,作為捕獲單元ECAP2的捕獲事件,通過計算ECAP2、ECAP1相鄰2次捕獲時的計數(shù)差值,得到的就是兩者信號的相位差,然后根據(jù)此值去調(diào)整比較寄存器首個數(shù)據(jù)的位置,即調(diào)整正弦波形輸出的起點,最終使逆變器輸出與電網(wǎng)同相位。
3 實驗結果
    根據(jù)圖2的系統(tǒng)組成結構圖,設計了系統(tǒng)的硬件并進行相應的算法驗證。實驗采用了160 V/480 W的光伏電池陣列、396 V/40 Ah的蓄電池組,用1臺小型電機作為負載。TMS320F28335的工作頻率為150 MHz,載波頻率為30 kHz,濾波器采用雙∏型,測得流過負載兩端的電流波形如圖6所示,可以看出頻率和相位跟蹤效果較為理想。另外,在光照強度為750 W/m2、溫度25 ℃的環(huán)境下,通過實測光伏電池輸出功率,基本上維持在最大功率點附近。
    在MPPT控制環(huán)節(jié),由于光伏電池具有非線性、時變性和數(shù)學模型不確定性,這對光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性都是個難題,而運用模糊理論實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT控制,很好地彌補了這一不足,使系統(tǒng)具有較強的魯棒性,在外界環(huán)境劇烈變化的情況下仍然可以快速跟蹤光伏電池的最大功率點,并能克服最大功率點附近的功率振蕩現(xiàn)象。在逆變并網(wǎng)環(huán)節(jié),采用軟件鎖相技術實現(xiàn)頻率和相位跟蹤,簡化了系統(tǒng)的硬件設計,提高了系統(tǒng)的工作可靠性。
參考文獻
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