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        非對稱模糊控制算法在MPPT中的應(yīng)用

        2021-09-26 16:45:20張麗英
        光源與照明 2021年1期
        關(guān)鍵詞:非對稱模糊控制波形

        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)電在國內(nèi)外已經(jīng)取得了長足的發(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)上對其應(yīng)用系統(tǒng)的優(yōu)化控制進(jìn)行研究,利用非對稱模糊控制實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了模糊控制對光伏電池最大功率點(diǎn)的跟蹤,而且針對光伏電池的非對稱特性,對最大功率點(diǎn)兩側(cè)建立獨(dú)立的輸入變量,實(shí)現(xiàn)了非對稱的模糊MPPT,并實(shí)現(xiàn)了對模糊控制的優(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(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MPPT系統(tǒng)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(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)換為脈沖信號對電路進(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)出的脈沖信號控制,其仿真模型如圖3所示。圖3中,V_PV為實(shí)時電壓輸入,I_PV為實(shí)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(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 動態(tài)光照模塊

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

        圖5 Signal Builder光照模塊

        對光照進(jìn)行動態(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(yīng)速度更快。

        圖8 對稱與非對稱模糊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,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(yīng)溫度的變化,快速跟蹤到最大功率點(diǎn),對輸出電壓進(jìn)行及時調(diào)節(jié)[5-6]。

        圖9 溫度變化時光伏電池輸出

        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,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(dāng)日照強(qiáng)度變化時,非對稱模糊控制算法也能很好地適應(yīng)其變化,實(shí)現(xiàn)對最大功率點(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)增量法會使輸出電壓、電流在最大功率點(diǎn)附近擾動,從而使輸出功率在最大功率點(diǎn)值以下不斷振蕩;(2)對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,使工作點(diǎn)穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)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(diǎn)兩側(cè)區(qū)間不對稱的特性,進(jìn)一步提高對最大功率點(diǎn)的跟蹤速度,同時對日照和溫度的變化都能表現(xiàn)出很好的性能。

        3 非對稱模糊MPPT試驗(yàn)平臺設(shè)計與結(jié)果分析

        根據(jù)上述的非對稱模糊控制MPPT算法,在數(shù)字信號處理器(DSP)平臺上開發(fā)研制了一臺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(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)信號調(diào)理電路,將待測的各種信號經(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)換提供整個控制系統(tǒng)的工作電源;(5)存儲電路,采用I2C接口的E2PROM AT24LC512存儲并網(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個不同顏色的LED來進(jìn)行顯示和報警,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)動波形為正弦脈寬調(diào)制(SPWM)信號。通過樣機(jī)試驗(yàn),上下橋臂兩開關(guān)管VT1、VT2驅(qū)動波形如圖13所示,VT1、VT2的PWM波形分別為PWM1和PWM2。試驗(yàn)波形符合設(shè)計原理,即VT1、VT2不能同時導(dǎo)通,且當(dāng)VT1為方向臂時,VT2同為方向臂;當(dāng)VT1為斬波臂時,VT2同為斬波臂。

        圖13 VT1、VT2開關(guān)管驅(qū)動信號波形圖

        開關(guān)管VT1、VT4驅(qū)動波形如圖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,VT4必為斬波臂;當(dāng)VT4為方向臂時,VT1則為斬波臂。

        圖14 VT1、VT4開關(guān)管驅(qū)動信號波形圖

        為防止上下橋臂開關(guān)管直通,需要設(shè)置死區(qū)時間。死區(qū)波形如圖15所示。由圖15可見,死區(qū)時間約為2.3 μs時,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與電網(wǎng)電壓同相位,因此通過捕捉方波信號的上升沿并觸發(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(tǒng)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(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,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)。

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