单级式光伏Z源逆变器模糊控制MPPT方法

摘要

本发明公开了单级式光伏Z源逆变器模糊控制MPPT方法，基于Z源逆变器的单级式光伏系统利用Z源网络和逆变器直通时间进行升压，同时采用非对称模糊隶属度的模糊控制器自适应调节传统电导增量法步长，实现控制器跟踪的快速性及稳定性，系统整体结构紧凑，效率更高。

说明书

技术领域

一种控制方法，特别是单级式光伏Z源逆变器模糊控制MPPT方法。

背景技术

由于外界环境变化对分布式光伏发电系统影响较大，其输出功率直接受当 前环境太阳辐照和温度影响，基于智能控制技术的最大功率点跟踪技术一直是 该领域研究热点问题，传统的扰动观察法和电导增量法由于扰动步长难以合理 选择，存在搜索时间长，稳态功率波动大等缺点。另一方面，传统的两级式光 伏发电系统效率低于单级式Z源逆变器光伏发电系统，未能将高效的Z源逆变 器与更高效的最大功率点跟踪技术结合，未实现高效的最大功率点跟踪及逆变 控制良好结合。

发明内容

针对上述问题，本发明提供单级式光伏Z源逆变器模糊控制MPPT方法，基 于Z源逆变器的单级式光伏系统利用Z源网络和逆变器直通时间进行升压，同 时采用非对称模糊隶属度的模糊控制器自适应调节传统电导增量法步长，实现 控制器跟踪的快速性及稳定性，系统整体结构紧凑，效率更高。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

单级式光伏Z源逆变器模糊控制MPPT方法，包括：乘法器通过光伏电压采 样模块和光伏电流采样模块实时测量的光伏阵列输出电压UPV和电流IPV确定 当前功率PPV，并将其存储于功率存储器，根据前一采样时刻存储于功率存储器 的光伏阵列输出功率PPV_last，经由第一减法器计算功率增量dP，同时将前一 采样时刻电压步长存储器所存储的电压步长Vstep_last，输入模糊控制器；根 据模糊控制器，获取电导增量法电压变化步长Vstep，并将其存储于电压步长存 储器；电导增量计算模块根据模糊控制器输出的电压步长Vstep，根据当前光伏 组件输出电压UPV及电流IPV，输出参考电压值UPV*至PI控制器，PI控制器输 出获得Z-源网络直通占空比D0，输入带直通占空比的SVPWM模块；电网电压采 样模块采集三相电网的实时电压eα、eb、ec输出至带直通比的SVPWM模块； 电网电流采样模块采集三相电网的实时电流iα、ib、ic，将其输入并网电流控 制模块，获得SVPWM调制信号uα与uβ，并与带直通比的SVPWM模块连接，形 成带直通矢量的SVPWM，将输出的统一控制PWM信号接入全桥逆变电路，实现光 伏Z源逆变器模糊控制最大功率点跟踪。

前述的单级式光伏Z源逆变器模糊控制MPPT方法，模糊控制器采用光伏阵列 功率增量dP，和前一采样时刻电压步长存储器所存储的电压步长V_{step_last}作为控制 器输入，输出为下一时刻电导增量法变化步长V_step。

前述的单级式光伏Z源逆变器模糊控制MPPT方法，模糊控制器的输入与输 出均划分为6个模糊集，包括负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，正小(PS)， 正中(PM)，正大(PB)。

前述的单级式光伏Z源逆变器模糊控制MPPT方法，模糊控制器输入dP、V_{step_last}与输出V_step的隶属函数均为三角形隶属函数。

前述的单级式光伏Z源逆变器模糊控制MPPT方法，模糊控制器采用非对称 模糊规则。

本发明的有益之处在于：通过模糊控制器判断输入功率增量dP及上一采样 时刻存储的电压步长V_{step_last}，实现自适应地控制电导增量法步长V_step，同时采用 带直通比的SVPWM的调制方式，发明了Z源逆变器整体控制方法；系统结构紧凑， 在实现太阳能光伏系统最大功率点快速跟踪的同时，实现正常逆变控制，高效 可靠。

附图说明

图1是本发明一种实施例的结构示意图；

图2是本发明模糊控制器输入V_{step_last}及输出V_step的隶属函数图；

图3是本发明模糊控制器输入dP的隶属函数图；

图4是本发明模糊控制最大功率点跟踪控制方法的搜索路径仿真结果；

图5是本发明模糊控制最大功率点跟踪控制方法的光伏阵列电压曲线实验 结果；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

单级式光伏Z源逆变器模糊控制最大功率点跟踪系统，包括:

与太阳能光伏阵列相连的光伏电压采样模块和光伏电流采样模块，与三相 电网相连的电网电压采样模块和电网电流采样模块；

连接于光伏电压采样模块、光伏电流采样模块并确定当前功率P_PV的乘法器， 连接于乘法器的功率存储器，连接于功率存储器并计算功率增量dP的第一减法 器，存储前一采样时刻的电压步长V_{step_last}的电压步长存储器，收集电压步长存储 器信息获取电导增量法电压变化步长V_step的输入模糊控制器；连接于模糊控制器 的电导增量计算模块，接收光伏组件输出电压U_PV及电流I_PV，输出的参考电压值 U_PV^*的PI控制器，连接PI控制器、电网电压采样模块的SVPWM模块，连接电网电流 采样模块、SVPWM模块的并网电流控制模块，接收并网电流控制模块输出的统一 控制PWM信号的全桥逆变电路；需说明的是，并网电流控制模块是现有技术，输 出两相静止坐标系下SVPWM调制信号u_α与u_β。

直通比为全桥逆变电路中开关器件在一个调制周期内，上下桥臂直通时间 所占比例。

光伏电流采样模块连接于乘法器和电导增量计算模块，乘法器连接于第一 减法器、功率存储器、模糊控制器、电导增量计算模块、第二减法器、PI控制 器。光伏电压采样模块分别与乘法器、电导增量计算模块和第二减法器连接。 电网电压采样模块与带直通比的SVPWM模块相连。电网电流采样模块与并网电 流控制模块、带直通比的SVPWM模块相连。带直通比的SVPWM模块与全桥逆变 电路相连，太阳能光伏阵列与Z源网络相连，Z源网络与全桥逆变电路相连，全 桥逆变电路通过滤波电感与三相电网连接。

Z源网络包括：Z源网络电容C1、Z源网络电容C2、Z源网络电感L1、Z源 网络电感L2，Z源网络电感L1的两端分别与Z源网络电容C1、Z源网络C2的 正极相连，Z源网络电感L2的两端分别与Z源网络电容C2与Z源网络电容C1 的负极相连。

单级式光伏Z源逆变器模糊控制MPPT方法，包括：乘法器通过光伏电压采样 模块和光伏电流采样模块实时测量的光伏阵列输出电压UPV和电流IPV确定当前 功率PPV，并将其存储于功率存储器，根据前一采样时刻存储于功率存储器的光 伏阵列输出功率PPV_last，经由第一减法器计算功率增量dP，同时将前一采样 时刻电压步长存储器所存储的电压步长Vstep_last，输入模糊控制器；根据模 糊控制器，获取电导增量法电压变化步长Vstep，并将其存储于电压步长存储器； 电导增量计算模块根据模糊控制器输出的电压步长Vstep，根据当前光伏组件输 出电压UPV及电流IPV，输出参考电压值UPV*至PI控制器，PI控制器输出获得Z- 源网络直通占空比D0，输入带直通占空比的SVPWM模块；电网电压采样模块采集 三相电网的实时电压eα、eb、ec输出至带直通比的SVPWM模块；电网电流采样 模块采集三相电网的实时电流iα、ib、ic，将其输入并网电流控制模块，获得 SVPWM调制信号uα与uβ，并与带直通比的SVPWM模块连接，形成带直通矢量的 SVPWM，将输出的统一控制PWM信号接入全桥逆变电路，实现光伏Z源逆变器模糊 控制最大功率点跟踪。需说明的是，并网电流控制模块是现有技术，输出两相 静止坐标系下SVPWM调制信号u_α与u_β。

模糊控制器采用光伏阵列功率增量dP，和前一采样时刻电压步长存储器所存 储的电压步长V_{step_last}作为控制器输入，输出为下一时刻电导增量法变化步长 V_step。

模糊控制器的输入与输出均划分为6个模糊集，包括负大(NB)，负中(NM)， 负小(NS)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)。

模糊控制器输入dP、V_{step_last}与输出V_step的隶属函数均为三角形隶属函数。

模糊控制器采用非对称模糊规则。

在MATLAB-Simulink仿真环境下实施了如图1所示的本发明单级式光伏Z 源逆变器模糊控制MPPT方法的结构，其中选用了50W光伏组件，环境参数选用 了太阳能组件标准测试条件参数(太阳辐照为1kW/m2，温度为25℃)，构成太 阳能光伏阵列，Z源网络参数选为L1＝L2＝1mH，C1＝C2＝330μF，选用IGBT作为 全桥逆变电路的电力电子开关器件，此外，模型中光伏阵列直流母线电容C0为 1880μF，负载为三相阻性负载。

控制器中，乘法器通过实时测量的光伏阵列输出电压U_PV和电流I_PV确定当前 功率P_PV，并将其存储于功率存储器，根据前一采样时刻存储于功率存储器的光 伏阵列输出功率P_{PV_last}，经由第一减法器计算功率增量dP，同时将前一采样时刻 电压步长存储器所存储的电压步长V_{step_last}，输入模糊控制器，并采用光伏阵列功 率增量dP，和前一采样时刻电压步长存储器所存储的电压步长V_{step_last}作为控制器 输入，输出为下一时刻电导增量法变化步长V_step；模糊控制器的输入与输出均划 分为6个模糊集，包括负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，正小(PS)，正中(PM)， 正大(PB)；在获取电导增量法电压变化步长V_step后，将其存储于电压步长存储 器；电导增量计算模块根据模糊控制器输出的电压步长V_step，根据当前光伏组件 输出电压U_PV及电流I_PV，输出参考电压值U_PV^*至PI控制器，PI控制器输出获得Z-源 网络直通占空比D₀，输入带直通占空比的SVPWM模块；利用电网电压采样模块采 集三相电网的实时电压e_α、e_b、e_c输出至带直通比的SVPWM模块；并采用电网电 流采样模块采集三相电网的实时电流i_α、i_b、i_c，将其输入并网电流控制模块， 获得SVPWM调制信号u_α与u_β，并与带直通比的SVPWM模块连接，形成带直通矢量 的SVPWM，将输出的统一控制PWM信号接入全桥逆变电路，实现光伏Z源逆变器模 糊控制最大功率点跟踪。

图4所示为在所述模糊控制器作用下，具有自适应步长的电导增量法寻找 最大功率点电压变化轨迹，所设定电压搜索范围为12～21V，因此图中曲线由12V 开始进行搜索，可见采用非对称模糊隶属度的模糊控制器在启动时采用较大电 压步长，而在系统稳态时，步长收敛，最终稳定在最大功率点处。

同时依据仿真模型，采用DSP，TMS320F2812作为主控芯片，IRF3205搭建 三相逆变桥，建立了与仿真模型参数一致的实验电路。图5所示为系统运行至 稳态时，光伏组件输出电压曲线U_PV，电压稳定于15.2V。

本发明中，通过模糊控制器判断输入功率增量dP及上一采样时刻存储的电 压步长V_{step_last}，自适应地控制电导增量法步长V_step，同时采用带直通比的SVPWM 的调制方式，发明了Z源逆变器整体控制方法；系统结构紧凑，在实现太阳能光 伏系统最大功率点快速跟踪的同时，实现正常逆变控制，高效可靠。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人 员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变 换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。