曹 旭，葉建華，傅培洋

(上海電力學(xué)院電力與自動化工程學(xué)院，上海 200090)

光伏發(fā)電是一種重要的新能源發(fā)電方式.在光伏發(fā)電系統(tǒng)中將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備為光伏電池.由于光伏電池的輸出電流與電池電壓、光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等參數(shù)相關(guān)，具有很強(qiáng)的非線性特點(diǎn).為了使光伏電池在運(yùn)行過程中的輸出電流最大化，就需要控制光伏電池電壓以保證光伏電池在較大的光照強(qiáng)度及溫度變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸出電流的最大化，該控制過程稱為最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)[1-3].

目前，已廣泛采用的MPPT方法有梯度跟蹤法和電導(dǎo)增量法[2].電導(dǎo)增量法是通過調(diào)整工作點(diǎn)的電壓，使之逐漸接近最大功率點(diǎn)電壓來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤，該方法避免了梯度跟蹤法的盲目性，它能夠判斷出工作點(diǎn)電壓與最大功率點(diǎn)電壓之間的關(guān)系[3].其缺點(diǎn)在于調(diào)整步長的選擇較為困難，若采用較小步長，則控制精度較高而跟蹤速度下降;若采用較大步長則能夠獲得較好的跟蹤速度，但犧牲了控制精度.本文研究了一種光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了基于模糊控制的最大功率點(diǎn)跟蹤控制器.

1 光伏電池的仿真模型

光伏電池的物理特性較復(fù)雜，在仿真過程中為了突出最大功率點(diǎn)偏移的特點(diǎn)，可采用如圖1所示的簡化結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[4].圖1中，受控電流源IPV與光照強(qiáng)度K近似成正比，輸出電流IDC是IPV與半導(dǎo)體漏電流ID之差.

圖1 光伏電池仿真模型

若半導(dǎo)體端電壓UD小于其正向?qū)妷?，則ID很小，輸出電流IDC近似等于光生電流IPV.在光照強(qiáng)度K不變的前提下，端口電壓UDC越高，光伏電池的輸出功率越大;若UDC提高到一定程度直至半導(dǎo)體端電壓UD大于其正向?qū)妷?，則半導(dǎo)體漏電流ID迅速增加，輸出電流IDC迅速減小，導(dǎo)致光伏電池的輸出功率減小.因此，在確定的工作范圍內(nèi)，光伏電池的功率/電壓特性曲線存在一個(gè)極值點(diǎn).

該模型特性的仿真曲線如圖2所示.

圖2 光伏電池特性曲線

由圖2可見，當(dāng)光照強(qiáng)度K由0.9(p.u.)變化至1.1(p.u.)時(shí)，光伏電池的最大輸出功率不斷上升;在光照強(qiáng)度不變的條件下，光伏電池的輸出功率先隨著電壓的上升而上升，至最大輸出功率點(diǎn)后隨著電壓的上升而下降.對應(yīng)光照強(qiáng)度的最大功率點(diǎn)參數(shù)見表1.

表1 光伏電池最大功率點(diǎn)參數(shù)

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示[3-5].在本文的仿真中選取單相逆變器作為并網(wǎng)接口，但所采用的光伏發(fā)電系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)同樣適用于三相逆變器接口的光伏系統(tǒng).

圖3 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

由圖3可以看出，該發(fā)電系統(tǒng)的能量入口為光伏電池，能量出口為電網(wǎng)，控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)目的就是為了最大限度將太陽能轉(zhuǎn)化為交流電能.根據(jù)光伏電池的最大功率點(diǎn)特性設(shè)計(jì)出的光伏發(fā)電系統(tǒng)控制策略見圖4.

圖4 光伏發(fā)電系統(tǒng)控制示意

該控制系統(tǒng)共包含1個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)——逆變器，以及3個(gè)控制回路——MPPT回路、電容電壓控制回路和逆變電流控制回路.其中，電容電壓控制回路和逆變電流控制回路可采用PID控制器實(shí)現(xiàn)，而MPPT回路則需要采用模糊控制實(shí)現(xiàn).將MPPT的跟蹤結(jié)果作為電容電壓控制回路的設(shè)定值，并將電容電壓控制回路的控制結(jié)果作為輸出電流的設(shè)定值.由于一般光伏系統(tǒng)不承擔(dān)電網(wǎng)的無功及電壓調(diào)節(jié)任務(wù)，因此輸出電流的相位設(shè)定與實(shí)際交流電網(wǎng)電壓相位保持一致即可，最終通過逆變器調(diào)制輸出電流，將光伏電池所產(chǎn)生的能量送入電網(wǎng).

圖4中，MPPT的控制目標(biāo)為:

式中:ΔU——光伏電池端電壓UDC在每一個(gè)控制周期內(nèi)的改變量;

ΔP——光伏電池輸出功率對應(yīng)ΔU在每一個(gè)控制周期內(nèi)的改變量.

令二者比值為零的目的是為了追蹤光伏電池功率特性曲線的峰值點(diǎn).

3 模糊MPPT的設(shè)計(jì)

模糊邏輯控制(Fuzzy Logic Control)簡稱模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合理論、模糊語言及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的控制，它是模糊數(shù)學(xué)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，是一種非線性智能控制[6-8].

模糊控制是利用人的知識對控制對象進(jìn)行控制的一種方法，通常用“if條件，then結(jié)果”的形式來表現(xiàn)，所以又通俗地稱為語言控制.一般用于無法以嚴(yán)密的數(shù)學(xué)表示的控制對象模型，即可利用人類的經(jīng)驗(yàn)和知識來很好地控制.而光伏電池正是一個(gè)強(qiáng)非線性系統(tǒng)，其不同光照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)難以用精確的數(shù)學(xué)模型描述出來，因此采用模糊控制的方法來進(jìn)行光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤是非常合適的.

模糊控制器的設(shè)計(jì)主要包括以下3項(xiàng)內(nèi)容[8，9]，即:確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量;歸納和總結(jié)模糊規(guī)則表;確定隸屬度函數(shù).

3.1 輸入和輸出變量的確立

在已對光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述的基礎(chǔ)上，可以確定模糊MPPT為雙輸入單輸出控制器，其輸入變量為直流電壓UDC與直流功率P各自的差分，輸出為電容電壓設(shè)定值Uset.

由于在不同光照條件下最大功率跟蹤點(diǎn)的電壓值不同，為便于設(shè)計(jì)其推理規(guī)則及隸屬度函數(shù)，Uset宜采用離散增量加積分的形式.隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)見圖5.

圖5 隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)

3.2 推理規(guī)則的確立

對光伏電池輸出功率P與電壓UDC之間的特性曲線進(jìn)行分析，并且考慮到日照強(qiáng)度對光伏電池輸出功率的影響，得到以下3個(gè)原則[5-7]:

(1)不論直流電壓變化方向是增加還是減小，若直流功率變化方向?yàn)檎瑒t繼續(xù)原來的電壓調(diào)節(jié)方向，否則取相反的電壓調(diào)節(jié)方向;

(2)若較小的電壓偏移能獲得較大的功率增加，說明此時(shí)光伏電池工作于最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)處，宜采用較大步長以加快跟蹤速度，若較大的電壓偏移只能獲得較小的功率增加，說明光伏電池工作于最大功率點(diǎn)附近，宜采用較小步長進(jìn)行搜索以減小搜索損失;

(3)若較小的電壓偏移能使直流功率變化反向，則應(yīng)采用極小步長進(jìn)行搜索.

遵循上述原則，并針對實(shí)際仿真結(jié)果進(jìn)行調(diào)整得到最終控制規(guī)則表如表2所示.

表2 MPPT模糊規(guī)則(ΔUset)

3.3 確定隸屬函數(shù)

在確定模糊規(guī)則表后，可設(shè)定各輸入輸出變量的隸屬度函數(shù).通過多次仿真實(shí)驗(yàn)，確定圖6所示的隸屬度函數(shù)具有較好的控制效果.

圖6 各隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)

4 模糊MPPT的仿真結(jié)果

依據(jù)前述的光伏發(fā)電系統(tǒng)及其控制方案進(jìn)行的仿真結(jié)果如圖7所示.其中，圖7a為光照系數(shù)曲線，為了突出最大功率點(diǎn)跟蹤的效果，在仿真中假設(shè)光照強(qiáng)度是以階躍信號的形式變化.圖7b和圖7c分別為對應(yīng)光照系數(shù)的最大功率點(diǎn)直流電壓曲線與直流功率曲線.

由圖7a，7b，7c 可知，對應(yīng) 0.9(p.u.)的光照系數(shù)，通過模糊MPPT跟蹤控制得到的最大功率點(diǎn)電壓約為300 V，直流功率約為1 700 W;對應(yīng)1.0(p.u.)的光照系數(shù)，模糊MPPT跟蹤控制得到最大功率點(diǎn)電壓約為330 V，直流功率約為2 200 W;對應(yīng)1.1(p.u.)的光照系數(shù)，模糊MPPT跟蹤控制得到最大功率點(diǎn)電壓約為370 V，直流功率約為2 600 W.無論是光照增強(qiáng)或是減弱過程，對應(yīng)相同的光照系數(shù)，跟蹤所得最大功率點(diǎn)電壓與直流功率均相同，并且該跟蹤結(jié)果與前述的光伏電池的理論分析結(jié)果(表1)一致.仿真結(jié)果表明，模糊MPPT具有良好的控制精度，且在光照突變過程中MPPT的跟蹤速度保持在5 s左右，具有較好的跟蹤速度.圖7d所示交流有功功率曲線與直流功率曲線在變化趨勢上保持一致，但由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流母線電壓始終處于波動狀態(tài)，導(dǎo)致逆變器輸出波形含有較高的諧波，使交流有功出現(xiàn)頻繁的波動.因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中需采用適當(dāng)容量的儲能裝置以平衡MPPT所帶來的直流電壓波動，為逆變器提供更穩(wěn)定的直流電壓以減少逆變過程所造成的交流諧波.

圖7 模糊MPPT仿真結(jié)果

5 結(jié)語

本文依據(jù)光伏電池的輸出功率特性，建立了光伏電池的仿真模型;研究了一種光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)并分析其工作原理;設(shè)計(jì)了基于模糊控制的最大功率點(diǎn)跟蹤控制器，將其應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證.仿真結(jié)果表明該方法能夠精確地進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤并且具有較快的跟蹤速度，光伏電池直流端電壓的頻繁波動會導(dǎo)致逆變器輸出波形含有較高的諧波.因此，為使光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠獲得更加穩(wěn)定的直流電壓，減少諧波輸出，還需要進(jìn)一步研究包括儲能裝置在內(nèi)的光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略.

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