華南理工大學電力學院 賴東升

基于模糊控制的光伏最大功率跟蹤控制研究

華南理工大學電力學院 賴東升

本文分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤的原理，提出了利用模糊控制來實現(xiàn)最大功率跟蹤的方法。模糊控制具有跟蹤精度高，響應(yīng)迅速，魯棒性好等優(yōu)點，并且不依賴與具體數(shù)學模型。同時給出了模糊控制器的詳細設(shè)計過程，利用matlab進行了仿真，獲得了很好的輸出結(jié)果，表明模糊控制用于光伏最大功率跟蹤的優(yōu)越性。

光伏發(fā)電；模糊控制；最大功率跟蹤

引言

全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，對能源的依賴性越來越強，能源問題日益突出。光伏發(fā)電具有取之不盡，用之不竭，清潔無污染等特點受到世界各國的關(guān)注。但由于光伏電池的成本高，轉(zhuǎn)換效率低，嚴重制約了光伏發(fā)電的推廣使用。為了讓光伏陣列在盡量的多輸出電能，降低光伏系統(tǒng)的成本，提出了最大功率跟蹤（MPPT）問題。

最大功率跟蹤是一個自動尋優(yōu)的過程。當外界條件改變時，通過比較前一時刻功率的變化來決定下一時刻的變化方向，從而尋找到一個最大功率點。常用的最大功率跟蹤算法有恒定電壓法，爬山法，電導增量法等。模糊控制法有不需要建立數(shù)學模型，適用性強，魯棒性能好等特點，非常適合光伏發(fā)電最大功率跟蹤，特別適合光伏發(fā)電系統(tǒng)。

1.光伏電池特性

光伏電池工作的原理為光生伏特效應(yīng)，當光照射在光伏電池上里，光子被半導體吸收，產(chǎn)生非平衡載流子，即電子空穴對，同時在內(nèi)建電場的作用下使電子與空穴分別拉向了不同方向，產(chǎn)生了光生電動勢。只要外電路連接起來，在光照的條件下就會產(chǎn)生電流，輸出功率。

圖1 太陽能光伏電池輸出功率P—V曲線

如圖1所示，一定光照條件下，當光伏電池兩端的電壓從小變大時，其輸出功率也不斷變化，并且在某一點達到輸出功率最大值，這一點即是最大功率點（MPP）。當外界環(huán)境變化時，最大功率點也會發(fā)生變化，如果光伏電池能一直工作在最大功率點，就能極大地提升光伏電池的利用效率。

2.最大功率點跟蹤（MPPT）控制

最大功率跟蹤控制的原理實質(zhì)上為一個動態(tài)自尋優(yōu)過程。通過檢測光伏電池輸出的電流和電壓大小得出當前時刻光伏電池輸出功率，并與前一時刻輸出功率進行對比；然后根據(jù)功率變化與PWM變換器占空比的關(guān)系，改變占空比，使其不斷靠近最大功率點，如圖2所示。

常用的光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤算法有：定電壓法（CVT）、擾動觀察法、電導增量法、模糊控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。

鑒于模糊控制的優(yōu)越性，本文重點介紹模糊控制器的設(shè)計與仿真。在matlab中可以利用模糊控制工具箱，對光伏系統(tǒng)的輸入和輸出進行設(shè)計，可以得出一系列的控制規(guī)則，并十分簡單明了的實現(xiàn)。

圖2 光伏系統(tǒng)的MPPT跟蹤控制結(jié)構(gòu)圖

圖3 模糊控制器結(jié)構(gòu)

2.1 模糊控制器的結(jié)構(gòu)

MPPT模糊控制的關(guān)鍵在于模糊控制器的設(shè)計，其中確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)尤為重要，本課題選用又輸入單輸出的模糊控制器，如圖3所示。

模糊控制器第n時刻的輸入為第n時刻的功率變化值及第n-1時刻時的占空比變化值；第n時刻的輸出值為第n時刻占空比變化值。

2.2 輸入、輸出量模糊子集及論域

2.3 確定隸屬函數(shù)

本文選擇三角形作為隸屬函數(shù)，e（n），a（n-1），a（n）的隸屬函數(shù)分別見圖4-圖6。

圖4 e（n）的隸屬函數(shù)

圖5 a（n-1）的隸屬函數(shù)

圖6 a（n）的隸屬函數(shù)

圖8 太陽能光伏發(fā)電最大功率跟蹤matlab仿真圖

圖9 輸出功率的波形

2.4 模糊規(guī)則的確定

本文中采用mamdani推理，采用If…Then…的語言規(guī)則，這些規(guī)則由該領(lǐng)域具有豐富經(jīng)驗的專家所建立，其基本原則如下：

（1）第n時刻測量出的輸出與第n-1時刻的輸出功率比較，如果輸出功率增加，則繼續(xù)原來的步長調(diào)整方向，否則取相反方向。

（2）離最大功率點較遠處，采用大步長，以加快跟蹤速度；離最大功率點斬較近時，采用小步長，以減小振蕩功率損失。

（3）當外界環(huán)境變化時，如光照溫度條件變化，導致光伏陣列輸出功率變化大時，系統(tǒng)應(yīng)能快速反應(yīng)。

由以上基本原則得出48條具體的規(guī)則，如圖7所示。

圖7 模糊控制規(guī)則

2.5 反模糊化設(shè)計

反模糊化的目的是為了把輸出量由模糊值變成精確值。反模糊的方法有很多，常用的有重心法，系數(shù)加權(quán)平均法，中位數(shù)法等，本文采用重心法，其公式為：

3.仿真驗證

如圖5所示搭建matlab仿真電路，主電路為boost電路，MPPT控制模塊由S函數(shù)搭建，光伏模塊由M函數(shù)編寫。設(shè)置仿真算法為：ode23tb，變步長，最大步長為1e-5s。

仿真效果圖如圖9所示。

通過以上實驗，可以看出模糊控制法用于光伏系統(tǒng)，能快速精確的跟蹤上最大功率點，驗證了本算法的可行性及控制效果優(yōu)良。

結(jié)論

本文結(jié)合太陽能最大功率跟蹤原理，提出一種基于模糊控制的光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤算法，最后在matlab/Simulink軟件環(huán)境下進行仿真，結(jié)果表明：模糊控制算法具有控制精確，響應(yīng)快的特點。適用于陽光和溫度突然變化的快速反應(yīng)場合，對于持續(xù)變化的陽光也可穩(wěn)定跟蹤。

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賴東升（1987—），男，江西贛州人，華南理工大學電力學院在讀碩士研究生，研究方向：電力電子電路的建模與控制。