基于模糊控制的MPPT控制系統研究

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，并對該系統的硬件電路和控制算法進行了設計，同時搭建了控制系統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MPPT方面的正確性和可行性，結果表明系統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 MPPT 模糊控制

目前，全球范圍內能源問題和傳統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。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學模型難以得到情況時的優(yōu)越性，使系統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，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）建立光伏電池數學模型，對其進行簡化研究分析。

其中，C₁、C₂為改進系數，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，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四個參數即可得到光伏電池數學模型。表1給出標準外界條件（S=1000W/m²，T=25℃）下時光伏電池各參數值：

根據光伏電池數學模型，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?？刂破魍ㄟ^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)電系統采用直流一直流變流電路（DC-DC Converter）實現最大功率點追蹤。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即可實現對負載阻值的實時調節(jié)，實現阻值匹配，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)電系統硬件方案如圖4所示。

系統由功率電路、控制電路和監(jiān)控電路三部分組成。系統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）實現功率器件驅動、系統自檢與保護、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與上位機基于RS-485總線技術的數據交換，實時監(jiān)控系統運行狀態(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，電路預設參數如表2。

結合計算值，并考慮安全裕量，各元件參數選擇如表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

系統需要多種不同直流電源，且穩(wěn)定的供電電壓對于系統的穩(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。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。本系統采用Mamdani型模糊系統，系統仿真模型如圖1。所示。

該系統由兩個輸入變量（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

根據系統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℃;當到達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。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)電系統方面模糊控制算法的正確性，結果表明系統具有較好的魯棒性且動態(tài)性能良好，體現了該控制策略在MPPT方面的可行性和優(yōu)越性。

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