摘要：  随着全球经济的发展，能源问题日益尖锐，越来越多的国家开始关注能源利用及转换效率的问题。光伏发电具有无污染、无噪音、取之不尽、用之不竭等优点，因而越来越受关注。但是由于光伏系统本身非线性和光电池制造工艺复杂的特点，导致其转换效率一般为14%～15%。为了让太阳能电池阵列在同样日照、温度的条件下输出更多的电能，提出了最大功率点跟踪(MPPT)问题。

关键字：  MPPT，  太阳能光伏，  光伏系统

MPPT本质上是一个寻优过程。通过测量电压、电流和功率，以及比较它们之间的变化关系，决定当前工作点与峰值点的位置关系，然后控制电流(或电压)向当前工作点与峰值功率点移动，最后控制电流(或电压)在峰值功率点附近一定范围内来回摆动。模糊控制适应性强，鲁棒性好，作为一种新的控制思想，非常适合用在对于太阳能光伏发电这种包含许多不确定量，而且很难用精确的数学模型描述出来的系统。

1 光伏电池特性

目前光伏系统中使用的太阳能电池多为硅太阳电池，参考文献给出了其输出电压、电流的关系方程：

光伏电池阵列输出具有明显的非线性特征，图1所示为光伏电池的输出功率-电压(P-U)曲线。由图1可见，光伏电池输出功率受光照强度S及电池温度的影响较大。当光照强度增加时，电池开路输出电压变化不大，短路电流明显增加，最大输出功率增加;当温度增加时，电池开路输出电压下降，短路电流略有增加，最大输出功率减小。在一定的光照强度和电池温度下，光伏电池在某点输出电压上，可使其输出功率达到最大值，这点就是光伏电池的最大功率点(对应P-U曲线的最高点)。

2 光伏发电系统结构组成与功能实现

光伏发电系统主要由DC-DC(Boost升压电路)和DC-AC两级变换器构成，整个系统的控制核心采用浮点型DSP控制器TMS320F28335，如图2所示。其中，Boost升压电路主要是提高光伏电池阵列的功率转化效率，对光伏电池阵列进行最大功率点跟踪，并且把光伏电池阵列输出的电压提升为能满足逆变并网要求的直流母线电压。DC-AC逆变器在SPWM信号驱动下完成将直流电逆变成与电网电压同幅同频的单相交流电，使并网电流与电网电压同相位，提高了功率因数。

2.1 模糊控制的MPPT实现

模糊控制建立的基础是模糊逻辑，它比传统的逻辑系统更接近于人类的思维和语言表达方式。在一些复杂系统，特别是系统存在定性的不精确和不确定信息的情况下，模糊控制的效果常优于常规控制。

由图1可见，在不同的温度和光照强度下，光伏电池最大输出功率的位置是不同的。当光伏电池工作在最大功率点左侧时，控制系统应增大光伏电池的输出电压;而当工作在最大功率点右侧时，反而要减小光伏电池的输出电压。因此，控制系统需不断检测并判断输出功率的变化，以调整光伏电池的输出电压，从而使其工作点不断向最大功率点移动。可见，实现MPPT的实质为动态自寻优过程，其控制策略为实时检测光伏阵列的输出功率，采用一定的控制算法预测当前情况下光伏电池可能的最大功率输出，通过改变光伏电池的输出电压来满足最大功率输出的要求。为此采用了图3所示的Boost升压变换电路。

Boost升压变换电路输入电压与输出电压之间的关系为：

图3中的负载RL实际为蓄电池，因此Uo的值就被钳制为蓄电池两端的电压。由式(2)可知，当改变PWM占空比D时，Ui则跟着变化且与D成反比。所以，通过控制D就能找到最大功率点所对应的电压Ui，从而使光伏电池输出最大功率。

模糊化的设计，其解答往往不是惟一的，在很大程度上要运用启发式试探方法以求取得最佳的选择。对于初始设计可先模拟，若控制性能达不到要求，则需要重新确定隶属函数，有时甚至要重新确定输入/输出量。

由于光伏阵列具体的数学模型不明确，无法掌握环境温度和日照强度的变化规律。因此，系统存在较大的复杂性和模糊性，在此运用模糊自寻优方法来实现最大功率点的跟踪。

2.1.1 确定模糊控制器输入输出

由于隶属函数曲线的形状越尖，相应模糊集合分辨率越高，控制灵敏度也越高。同时为了使模糊化算法简单，提高控制实时性，模糊集合的隶属函数取为三角形对称分布，如图4所示。

2.1.2 确定模糊控制规则

制定模糊控制规则遵循的基本原则：当误差大或较大时，控制量输出以尽快消除误差为主;当误差较小时，控制量输出要注意防止产生超调，以系统的稳定性为主。模糊控制规则应用IF-AND-THEN规则，模糊控制规则如表1所示。

对于给定e(n)和Δe(n)，模糊控制器通过Mamdani极大极小值推理法进行推理得到ΔD(n)，解模糊采用加权平均法，加权因子取为组成模糊控制向量的元素自身的隶属度。

2.2 逆变并网实现

光伏发电并网系统要求逆变器的输出波形为正弦波，输出电流与电网电压同频同相，因此其控制策略与一般独立的电压型逆变器的控制策略有所不同，需考虑频率、相位跟踪问题。本系统采用的DC-AC逆变主电路采用全桥结构，输出经滤波后为220 V/50 Hz的工频交流电，如图5所示。

2.2.1 SPWM波形的生成

正弦脉宽调制(SPWM)作为一种常用的调制技术被广泛应用于逆变电路中，本系统采用双极性SPWM调制来实现DC-AC变换。对于图5中的开关管，要求VT1、VT4和VT2、VT3轮流导通，因此只需两路成互补SPWM波即可。为此，利用TMS320F28335的ePWM模块中的ePWM1来产生两路互补对称的SPWM波，分别从ePWM1A和ePWM1B脚输出，同时还可实现死区控制，避免上下两管同时导通。具体波形产生过程为：设置ePWM1的时基计数器为连续增减方式，计数周期为载波周期的1/2。在计数的过程中，比较寄存器CMPA(和CMPB)与计数值不断比较，当数值匹配时，ePWM1A(和ePWM1B)引脚电平翻转，由于在增计数和减计数过程中数值匹配分别发生1次，即在1个周期内翻转2次，所以产生对称的PWM波形。只要在每个PWM周期根据在线计算改写比较寄存器的值，就可实时改变脉冲占空比，从而形成完整的SPWM波。其中，比较寄存器内容实时更新的公式为：

2.2.2 频率跟踪与相位同步实现

标准的电网频率为50 Hz，通常情况下，实际频率会有小范围的波动。对此，必须采取措施控制光伏并网系统输出电流，使其对电网电压进行频率跟踪和相位同步。本系统采用软件锁相实现对同步的要求。

实现频率跟踪，首先要检测电网的工作频率。可将电网电压通过过零比较电路，变成与之同相位的方波信号，作为TMS320F28335捕获单元ECAP1的捕获事件，连续2次捕获时的计数差值就是被测电网电压信号的周期值。然后，在下一个SPWM周期，更新N与比较寄存器CMP的值，使逆变器输出与电网同频的正弦波形。考虑到逆变器后级滤波器的设计，Tc固定不变，因此，N随电网频率的变化而变化。

要实现相位同步，可再将逆变器的输出通过过零比较变成方波后，作为捕获单元ECAP2的捕获事件，通过计算ECAP2、ECAP1相邻2次捕获时的计数差值，得到的就是两者信号的相位差，然后根据此值去调整比较寄存器首个数据的位置，即调整正弦波形输出的起点，最终使逆变器输出与电网同相位。

3 实验结果

根据图2的系统组成结构图，设计了系统的硬件并进行相应的算法验证。实验采用了160 V/480 W的光伏电池阵列、396 V/40 Ah的蓄电池组，用1台小型电机作为负载。TMS320F28335的工作频率为150 MHz，载波频率为30 kHz，滤波器采用双∏型，测得流过负载两端的电流波形如图6所示，可以看出频率和相位跟踪效果较为理想。另外，在光照强度为750 W/m2、温度25 ℃的环境下，通过实测光伏电池输出功率，基本上维持在最大功率点附近。

在MPPT控制环节，由于光伏电池具有非线性、时变性和数学模型不确定性，这对光伏发电控制系统的能量转换效率和稳定性都是个难题，而运用模糊理论实现光伏发电系统的MPPT控制，很好地弥补了这一不足，使系统具有较强的鲁棒性，在外界环境剧烈变化的情况下仍然可以快速跟踪光伏电池的最大功率点，并能克服最大功率点附近的功率振荡现象。在逆变并网环节，采用软件锁相技术实现频率和相位跟踪，简化了系统的硬件设计，提高了系统的工作可靠性。