隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源問題日益尖銳，越來越多的國家開始關(guān)注能源利用及轉(zhuǎn)換效率的問題。光伏發(fā)電具有無污染、無噪音、取之不盡、用之不竭等優(yōu)點(diǎn)，因而越來越受關(guān)注。但是由于光伏系統(tǒng)本身非線性和光電池制造工藝復(fù)雜的特點(diǎn)，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)換效率一般為14％～15％。為了讓太陽能電池陣列在同樣日照、溫度的條件下輸出更多的電能，提出了功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）問題。

　　MPPT本質(zhì)上是一個(gè)尋優(yōu)過程。通過測(cè)量電壓、電流和功率，以及比較它們之間的變化關(guān)系，決定當(dāng)前工作點(diǎn)與峰值點(diǎn)的位置關(guān)系，然后控制電流（或電壓）向當(dāng)前工作點(diǎn)與峰值功率點(diǎn)移動(dòng)，控制電流（或電壓）在峰值功率點(diǎn)附近一定范圍內(nèi)來回?cái)[動(dòng)。模糊控制適應(yīng)性強(qiáng)，魯棒性好，作為一種新的控制思想，非常適合用在對(duì)于太陽能光伏發(fā)電這種包含許多不確定量，而且很難用的數(shù)學(xué)模型描述出來的系統(tǒng)。

　　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(xiàn)給出了其輸出電壓、電流的關(guān)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(qiáng)度S及電池溫度的影響較大。當(dāng)光照強(qiáng)度增加時(shí)，電池開路輸出電壓變化不大，短路電流明顯增加，輸出功率增加；當(dāng)溫度增加時(shí)，電池開路輸出電壓下降，短路電流略有增加，輸出功率減小。在一定的光照強(qiáng)度和電池溫度下，光伏電池在某點(diǎn)輸出電壓上，可使其輸出功率達(dá)到值，這點(diǎn)就是光伏電池的功率點(diǎn)（對(duì)應(yīng)P-U曲線的點(diǎn)）。

　　2 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成與功能實(shí)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(jí)變換器構(gòu)成，整個(gè)系統(tǒng)的控制采用浮點(diǎn)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(duì)光伏電池陣列進(jìn)行功率點(diǎn)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(hào)驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)

　　模糊控制建立的基礎(chǔ)是模糊邏輯，它比傳統(tǒng)的邏輯系統(tǒng)更接近于人類的思維和語言表達(dá)方式。在一些復(fù)雜系統(tǒng)，特別是系統(tǒng)存在定性的不和不確定信息的情況下，模糊控制的效果常優(yōu)于常規(guī)控制。

　　由圖1可見，在不同的溫度和光照強(qiáng)度下，光伏電池輸出功率的位置是不同的。當(dāng)光伏電池工作在功率點(diǎn)左側(cè)時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)增大光伏電池的輸出電壓；而當(dāng)工作在功率點(diǎn)右側(cè)時(shí)，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(cè)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(diǎn)不斷向功率點(diǎn)移動(dòng)。可見，實(shí)現(xiàn)MPPT的實(shí)質(zhì)為動(dòng)態(tài)自尋優(yōu)過程，其控制策略為實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏陣列的輸出功率，采用一定的控制算法預(yù)測(cè)當(dāng)前情況下光伏電池可能的功率輸出，通過改變光伏電池的輸出電壓來滿足功率輸出的要求。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(guān)系為：

　　圖3中的負(fù)載RL實(shí)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(dāng)改變PWM占空比D時(shí)，Ui則跟著變化且與D成反比。所以，通過控制D就能找到功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓Ui，從而使光伏電池輸出功率。

　　模糊化的設(shè)計(jì)，其解答往往不是惟一的，在很大程度上要運(yùn)用啟發(fā)式試探方法以求取得的選擇。對(duì)于初始設(shè)計(jì)可先模擬，若控制性能達(dá)不到要求，則需要重新確定隸屬函數(shù)，有時(shí)甚至要重新確定輸入／輸出量。

　　由于光伏陣列具體的數(shù)學(xué)模型不明確，無法掌握環(huán)境溫度和日照強(qiáng)度的變化規(guī)律。因此，系統(tǒng)存在較大的復(fù)雜性和模糊性，在此運(yùn)用模糊自尋優(yōu)方法來實(shí)現(xiàn)功率點(diǎn)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(yīng)模糊集合分辨率越高，控制靈敏度也越高。同時(shí)為了使模糊化算法簡單，提高控制實(shí)時(shí)性，模糊集合的隸屬函數(shù)取為三角形對(duì)稱分布，如圖4所示。

　　2.1.2 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(dāng)誤差大或較大時(shí)，控制量輸出以盡快消除誤差為主；當(dāng)誤差較小時(shí)，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(yīng)用IF-AND-THEN規(guī)則，模糊控制規(guī)則如表1所示。

　　對(duì)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(jìn)行推理得到ΔD（n），解模糊采用加權(quán)平均法，加權(quán)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(shí)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(dú)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(jié)構(gòu)，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(shù)被廣泛應(yīng)用于逆變電路中，本系統(tǒng)采用雙極性SPWM調(diào)制來實(shí)現(xiàn)DC-AC變換。對(duì)于圖5中的開關(guān)管，要求VT1、VT4和VT2、VT3輪流導(dǎo)通，因此只需兩路成互補(bǔ)SPWM波即可。為此，利用TMS320F28335的ePWM模塊中的ePWM1來產(chǎn)生兩路互補(bǔ)對(duì)稱的SPWM波，分別從ePWM1A和ePWM1B腳輸出，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)死區(qū)控制，避免上下兩管同時(shí)導(dǎo)通。具體波形產(chǎn)生過程為：設(shè)置ePWM1的時(shí)基計(jì)數(shù)器為連續(xù)增減方式，計(jì)數(shù)周期為載波周期的1/2。在計(jì)數(shù)的過程中，比較寄存器CMPA（和CMPB）與計(jì)數(shù)值不斷比較，當(dāng)數(shù)值匹配時(shí)，ePWM1A（和ePWM1B）引腳電平翻轉(zhuǎn)，由于在增計(jì)數(shù)和減計(jì)數(shù)過程中數(shù)值匹配分別發(fā)生1次，即在1個(gè)周期內(nèi)翻轉(zhuǎn)2次，所以產(chǎn)生對(duì)稱的PWM波形。只要在每個(gè)PWM周期根據(jù)在線計(jì)算改寫比較寄存器的值，就可實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)更新的公式為：

　　2.2.2 頻率跟蹤與相位同步實(shí)現(xiàn)

　　標(biāo)準(zhǔn)的電網(wǎng)頻率為50 Hz，通常情況下，實(shí)際頻率會(huì)有小范圍的波動(dòng)。對(duì)此，必須采取措施控制光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電流，使其對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行頻率跟蹤和相位同步。本系統(tǒng)采用軟件鎖相實(shí)現(xiàn)對(duì)同步的要求。

　　實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，首先要檢測(cè)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(hào)，作為TMS320F28335捕獲單元ECAP1的捕獲事件，連續(xù)2次捕獲時(shí)的計(jì)數(shù)差值就是被測(cè)電網(wǎng)電壓信號(hào)的周期值。然后，在下一個(gè)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(jí)濾波器的設(shè)計(jì)，Tc固定不變，因此，N隨電網(wǎng)頻率的變化而變化。

　　要實(shí)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(jì)算ECAP2、ECAP1相鄰2次捕獲時(shí)的計(jì)數(shù)差值，得到的就是兩者信號(hào)的相位差，然后根據(jù)此值去調(diào)整比較寄存器數(shù)據(jù)的位置，即調(diào)整正弦波形輸出的起點(diǎn)，終使逆變器輸出與電網(wǎng)同相位。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　根據(jù)圖2的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件并進(jìn)行相應(yīng)的算法驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)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(tái)小型電機(jī)作為負(fù)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(cè)得流過負(fù)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(qiáng)度為750 W/m2、溫度25 ℃的環(huán)境下，通過實(shí)測(cè)光伏電池輸出功率，基本上維持在功率點(diǎn)附近。

　　在MPPT控制環(huán)節(jié)，由于光伏電池具有非線性、時(shí)變性和數(shù)學(xué)模型不確定性，這對(duì)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(gè)難題，而運(yùn)用模糊理論實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT控制，很好地彌補(bǔ)了這一不足，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)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功率點(diǎn)，并能克服功率點(diǎn)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(shù)實(shí)現(xiàn)頻率和相位跟蹤，簡化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。