CN105739593A - 单级式光伏z源逆变器模糊控制最大功率点跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了单级式光伏Z源逆变器模糊控制最大功率点跟踪系统，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。

Description

单级式光伏Z源逆变器模糊控制最大功率点跟踪系统

技术领域

一种跟踪系统，特别是一种单级式光伏Z源逆变器模糊控制最大功率点跟踪系统。

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，最大功率点跟踪技术一直是该领域研究热点问题，传统的干扰观察法和电导增量法由于扰动步长难以整定，存在搜索时间长，稳态功率波动大等缺点。另一方面，传统的两级式或单级式光伏发电系统效率低于Z源逆变器，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；现有技术还未解决这样的问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供单级式光伏Z源逆变器模糊控制最大功率点跟踪系统，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；

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。

前述的单级式光伏Z源逆变器模糊控制最大功率点跟踪系统，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。

前述的单级式光伏Z源逆变器模糊控制最大功率点跟踪系统，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。

前述的单级式光伏Z源逆变器模糊控制最大功率点跟踪系统，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。

前述的单级式光伏Z源逆变器模糊控制最大功率点跟踪系统，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。

前述的单级式光伏Z源逆变器模糊控制最大功率点跟踪系统，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。

本发明的有益之处在于：本发明提供单级式光伏Z源逆变器模糊控制最大功率点跟踪系统，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是本发明的一种实施例的结构示意图；

图2是本发明的Z源网络的电路图；

图3是本发明的模糊控制器输入V_{step_last}及输出V_step的隶属函数图；

图4是本发明的模糊控制器输入dP的隶属函数图；

图5是本发明的搜索路径仿真结果；

图6是本发明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。

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。

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V_{step_last}与输出V_step的隶属函数均为三角形隶属函数，如图3所示；输入dP的隶属函数为三角形隶属函数，如图4所示；

模糊控制器采用非对称的模糊规则：

根据模糊控制器，获取电导增量法电压变化步长V_step，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；

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；

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。

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源逆变器模糊控制最大功率点跟踪系统，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5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6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。

Claims (6)

1.单级式光伏Z源逆变器模糊控制最大功率点跟踪系统，其特征在于，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；

连接于上述光伏电压采样模块、光伏电流采样模块并确定当前功率P_PV的乘法器，连接于上述乘法器的功率存储器，连接于上述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，收集上述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；连接于上述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，连接上述PI控制器、电网电压采样模块的SVPWM模块，连接上述电网电流采样模块、SVPWM模块的并网电流控制模块，接收上述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；

上述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。

2.根据权利要求1所述的单级式光伏Z源逆变器模糊控制最大功率点跟踪系统，其特征在于，上述光伏电流采样模块连接于上述乘法器和电导增量计算模块，上述乘法器连接于上述第一减法器、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。

3.根据权利要求1所述的单级式光伏Z源逆变器模糊控制最大功率点跟踪系统，其特征在于，上述光伏电压采样模块与乘法器、电导增量计算模块和第二减法器连接。

4.根据权利要求1所述的单级式光伏Z源逆变器模糊控制最大功率点跟踪系统，其特征在于，上述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。

5.根据权利要求1所述的单级式光伏Z源逆变器模糊控制最大功率点跟踪系统，其特征在于，上述带直通比的SVPWM模块与全桥逆变电路相连，上述太阳能光伏阵列与Z源网络相连，上述Z源网络与全桥逆变电路相连，上述全桥逆变电路通过滤波电感与三相电网连接。

6.根据权利要求1所述的单级式光伏Z源逆变器模糊控制最大功率点跟踪系统，其特征在于，上述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，上述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，上述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。