李營（廣州鐵路職業(yè)技術學院，廣東廣州　510430）

基于分段模糊控制方法的光伏MPPT控制策略研究*

李營
（廣州鐵路職業(yè)技術學院，廣東廣州510430）

摘要：在對光伏發(fā)電系統(tǒng)的電特性進行理論分析的基礎上，基于模糊控制思想提出了一種將固定電壓法和擾動觀察法相結合的分段式光伏MPPT控制方法。通過對固定電壓法經(jīng)驗分析確定最大功率點對應電壓的取值范圍，結合光伏電池的功率-電壓特性曲線分析，將MPPT控制分為4個區(qū)段，在不同區(qū)段采取不同的控制策略，使光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠快速、穩(wěn)定追蹤最大功率。對所設計的分段式模糊控制系統(tǒng)進行了仿真研究，結果顯示，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠快速響應并較好地追蹤最大功率點。

關鍵詞：分段模糊控制；光伏系統(tǒng)；MPPT

*廣州市教育局協(xié)同創(chuàng)新重大項目（編號：13XT07）

0　引言

隨著我國經(jīng)濟社會需求的高速增長，能源消耗逐年增加，煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源缺口逐年增大。傳統(tǒng)能源的消耗同時也給生態(tài)環(huán)境帶來了極大破壞，2013年全國多地長時間重度污染，部分地區(qū)污染指數(shù)突破測量上限，使國家經(jīng)濟社會發(fā)展面臨資源匱乏和污染加劇的雙重考驗。太陽能光伏發(fā)電是新能源的重要組成部分，以其巨大的能源儲量和環(huán)保性被認為是當前世界上最有發(fā)展前景的新能源技術[1]。但因太陽能光伏發(fā)電轉換效率低、成本高、控制復雜等諸多原因，一直沒有得到廣泛的普及應用。因此，如何通過技術革新提高光伏發(fā)電效率，降低成本，生產出既可靠穩(wěn)定又價格低廉的光伏發(fā)電設備，成為近年來眾多學者研究的熱點問題。

1　光伏發(fā)電的等效模型與基本特性

光伏電池的基本原理可看作一個具有光電效應的PN結[2]，利用光入射于半導體的光線產生電子與空穴，進而產生兩個電極，當外接負載構成回路后，便產生了電能。圖1為光伏電池的等效電路圖。因單體光伏電池(cell)容量小，因此在實際應用中往往將多個單體通過串、并聯(lián)形式鏈接組成光伏陣列(array)[3]。

圖1　光伏電池的等效電路圖

圖1的單體光伏電池由理想電流源Iph、串聯(lián)內阻Rs、并聯(lián)內阻Rsh和反向并聯(lián)二極管D1構成，當接入負載Rload后，電池構成回路。其中Iph為光伏電池的短路電流，與外界光線環(huán)境有直接關系，光線越強，Iph越大。式（1）為光伏電池的I-V特性函數(shù)。

串聯(lián)內阻Rs為無窮小，并聯(lián)內阻Rsh為無窮大，因此可以得出：

公式中：Ir為內部等效二極管的P-N結反向飽和電流；Vr為熱電壓，且Vr=AKT/q；K為Boltzman常數(shù)；A為光伏電池P-N結的曲線常數(shù)；T為光伏電池板溫度；q為電荷常數(shù)；Rs為串聯(lián)內阻；Rsh為并聯(lián)內阻。

由式（2）、（3）可以得出光伏電池具有以下特性：光伏電池的短路電流與光照強度近似成比例關系，開路電壓受光照強度影響較??；在同等光強環(huán)境下光伏電池最大輸出功率隨電池溫度的上升而下降；在同等光強環(huán)境下光伏電池具有唯一的最大輸出功率，且最大輸出功率隨光照強度增強而變大。因此光伏發(fā)電中可以采取有效措施對最大功率點進行跟蹤控制，使系統(tǒng)長期工作在最大功率狀態(tài)以有效提高光伏發(fā)電的效率。

2　光伏MPPT控制的基本原理與方法

光伏電池是一種非線性的電源，其輸出特性可以視為由恒流源與恒壓源組合而成，在不同的太陽輻照度下，光伏電池都具有一個最大功率輸出點。MPPT控制器的全稱“最大功率點跟蹤”（Maximum Power Point Tracking），是一種通過調節(jié)電氣模塊的工作狀態(tài)，使光伏電池能夠充分實現(xiàn)光電轉換、輸出更多電能的電氣控制方法，是通過實時采集光伏電池的轉換電壓，并追蹤最高功率（即電壓與電流的乘積），使系統(tǒng)以最大功率輸出電能的一種自尋優(yōu)控制技術，是提高光伏發(fā)電效率、保證光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性的一種有效手段。

目前，國內外關于MPPT控制方法的研究較多，包括直接近似法、固定點壓法、擾動觀察法、電導增量法、智能控制法以及一些復合算法等[4]，各種算法的基本原理和特點如表1所示。由于光伏器件輸出功率的非線性特性且其工作環(huán)境變化頻繁，因此為了獲得更好的最大功率點跟蹤控制效果，應根據(jù)外部環(huán)境的變化不斷調整MPPT控制參數(shù)，在現(xiàn)代控制方法中，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等智能控制技術無疑具有這方面的優(yōu)勢。恒壓法、擾動觀察法和增加電導法均可采用智能控制的方法，根據(jù)外部環(huán)境的變化調整擾動步長進一步提高控制效果。

表1　常用MPPT控制方法對比表

3　光伏MPPT的分段模糊控制方法

（1）光伏系統(tǒng)的MPP特性分析

因光伏電池的輸出功率與工作電壓有關，只有工作在最合適的電壓下，它的輸出功率才會有唯一的最大值，因此為了分析光伏系統(tǒng)最大功率與電壓之間的關系，將（3）式對電壓求導，可得出：

當dP/dV=0時，光伏系統(tǒng)輸出最大功率，可以得出：

運用Lambert W函數(shù)（又稱為“歐米加函數(shù)”或“乘積對數(shù)”）推導算法[5]，由ax+b=exp(cx+d)可推導出LambertW函數(shù)的顯式表達式為：

當I=0時，V=V0，將其代入式（2）可得：

將（8）式代入（7）式并根據(jù)Lambert W函數(shù)換算法則進行換算可得：

根據(jù)Lambert W函數(shù)特性：Lambert W [x· exp（x）]=x，可以看出（9）式中VM與V0之間存在近似的比例關系，計為：

MV是與光伏電池相關特性相關的比例常數(shù)，僅隨自身特性及環(huán)境的變化而變化，將MV定義為光伏電池的比例常數(shù)，即“電壓因子”。MV取值一般在一定范圍內，研究經(jīng)驗表明，MV通常是介于0 .71～0 .8之間的常數(shù)。因此最大功率點對應電壓VM也具有一定取值范圍，定義為：VM∈(VMmin，VMmax)，其中VMmin=V0·Mv-min，VMmax=V0·Mv-max。

（2）光伏MPPT分段控制策略

根據(jù)式（3）和式（4）可以得出光伏系統(tǒng)的P-V特性曲線和dP/dV-V特性曲線如圖2（a）和圖2（b）所示。

因光伏系統(tǒng)的最大功率點對應電壓VM與開路電壓存在近似比例關系，且VM取值具有一定取值范圍，可以將圖2（a）和圖2（b）分為4個區(qū)段，各區(qū)段的劃分形式及特點如下：

區(qū)段I：dP/dV > 0且V < Vmin，此區(qū)段在最大功率點左側，P-V為近似線性關系，dP/dV趨近于衡定值，距離最大功率點較遠，應加大擾動步長使系統(tǒng)快速跨入?yún)^(qū)段II或區(qū)段III內。

區(qū)段II：dP/dV≥0且Vmin≤V≤Vmax，此區(qū)段在最大功率點左側，距離最大功率點較近，且距離最大功率點越近dP/dV-V曲線就越陡，此時可通過減小擾動步長使光伏系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定在最大功率點附近?？刂浦锌蛇x擇ΔP/ΔV和ΔV/V0兩個參數(shù)作為輸入?yún)⒖甲兞?，以判斷現(xiàn)功率點的準確位置，確定恰當?shù)臄_動步長。

區(qū)段III：dP/dV < 0且Vmin≤V≤Vmax，此區(qū)段在最大功率點右側，距離最大功率點較近，dP/dV-V曲線較陡且隨著電壓V的增加越來越陡。此區(qū)間因功率受電壓變化的影響較為明顯，控制中可選擇ΔP/ΔV和ΔP的變化作為輸入?yún)⒖甲兞縼泶_定恰當?shù)臄_動步長和方向。

區(qū)段IV：dP/dV < 0且V >Vmax，此區(qū)段在最大功率點右側，距離最大功率點較遠，應通過大步長擾動使系統(tǒng)快速跨入?yún)^(qū)段II或區(qū)段III內。

基于以上分析，可以將光伏MPPT控制的固定電壓法和擾動觀察法有機結合并融入模糊控制的思想[6]，對光伏系統(tǒng)在四個不同區(qū)段內采用不同的控制方法。如圖2（a）所示，假設系統(tǒng)在I區(qū)的M點，因該區(qū)段距離最大功率點較遠，希望能夠通過改變擾動步長使系統(tǒng)盡快接近最大功率點，而最直接的方式就是使其直接跨入II區(qū)段，因此可以借助固定電壓法的思想，將系統(tǒng)電壓直接調整為VMmin，使系統(tǒng)直接進入圖2（a）的B點。以此類推，當系統(tǒng)工作在IV區(qū)的N點時，也可以通過設置電壓為VMmax，使其直接跨入D點；當系統(tǒng)工作在II區(qū)段和III區(qū)段時，因距離最大功率點變近，采用擾動觀察法根據(jù)具體位置來設定擾動步長和方向，實現(xiàn)最大功率的穩(wěn)定捕捉。分區(qū)段控制方法對比表如表2所示。

圖2　光伏系統(tǒng)的特性曲線圖

表2　光伏分區(qū)段MPPT控制策略表

（3）分段模糊控制器設計

綜合以上分析，在圖2（a）的II區(qū)段和III區(qū)段，采用模糊控制的方法實現(xiàn)MPPT控制。為了獲得更好的最大功率點跟蹤控制效果，應根據(jù)輸入?yún)?shù)變化不斷調整MPPT電路中的控制步長?？刂浦?，因為二維模糊控制器能夠較嚴格地反映受控過程中輸出變量的動態(tài)特性[7]，并且模糊控制規(guī)則簡單，因此一般選用P-U曲線上的兩點間功率變化與電壓變化的比值E和兩次采樣E的變化CE作為輸入變量，選用BOOST升壓電路的占空比變化ΔD作為輸出變量。但從圖2（b）可以看出，在II區(qū)段和III區(qū)段CE的變化規(guī)律不盡相同，在II區(qū)段特別是靠近B點附近，因dP/dV-V曲線斜率較小，CE的變化不明顯，因此可選取電壓變化替代CE作為輸入變量，即：

基于既能反映相應的精確量及其特性，又不使推理計算量過大的原則，在光伏電池模糊控制器中選取了E、CE和ΔD的語言詞集為負大，負中，負小，零，正小，正中，正大，用英文字頭縮寫為NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB。為了確保各模糊集能較好的覆蓋論域，避免出現(xiàn)失控現(xiàn)象，又不致使計算量過大，取E、CE和ΔD的論域均為：

{-6，-5，…，0，…5，6}

根據(jù)光伏發(fā)電的特點，選用經(jīng)驗歸納法作為模糊控制規(guī)則[8]，表3和表4給出了以占空比變化ΔD為控制量輸出的模糊控制器控制規(guī)則表。

表3　II區(qū)段模糊控制規(guī)則表

表4　III區(qū)段模糊控制規(guī)則表

在非模糊化處理中選用面積中心法進行計算，其計算公式如下式：

4　系統(tǒng)仿真

為驗證分段模糊控制方法的效果，應用Mat?lab軟件對系統(tǒng)進行了仿真研究，仿真系統(tǒng)模型如圖3所示。圖中獨立式光伏電池等效電路被集成在PV module模塊中，分段式模糊控制算法封裝在MPPT piecewise fuzzy control模塊，BOOST電壓變換電路集成在DC-DC module模塊。

仿真中選取BOOST斬波開關頻率為5 kHz，MPPT周期為3 ms，光伏電池額定功率150 W。環(huán)境條件為，溫度為恒溫25℃，光照強度給出三種變化，即開始為零，1 s后增加到1 000 W/m2，3s后降為300 W/m2，之后保持在300 W/m2。圖4和圖5分別給出了功率變化和BOOST占空比變化的仿真曲線。

從仿真結果可以看出，采用分段模糊控制可有效提升光伏系統(tǒng)追蹤最大功率點的跟蹤速度和穩(wěn)定性，在光照變化時，可以快速響應并減小系統(tǒng)的誤判，使系統(tǒng)快速穩(wěn)定在新的最大功率點。相對于傳統(tǒng)擾動觀察法和固定電壓法，既能簡單有效地實現(xiàn)最大功率點的捕捉和跟蹤，又能保證跟蹤的精度和穩(wěn)定性。

圖3　系統(tǒng)仿真模型圖

圖4　功率輸出曲線圖

圖5　占空比輸出曲線圖

5　結束語

因真實的光伏發(fā)電系統(tǒng)具有數(shù)學模型復雜、光照輸入多變、受環(huán)境影響大、功率輸出非線性等諸多特點，捕捉最大功率所采用的固定電壓法、擾動觀察法、電導增量法、智能控制法等方法各具特點，采用模糊控制方法可有效解決系統(tǒng)難以建立精確數(shù)學模型問題，從而簡化控制算法?；诠夥l(fā)電系統(tǒng)在最大功率點左右兩側所表現(xiàn)出特性的偏差，在最大功率點左右兩側及不同區(qū)域采用差異化控制方式可使控制系統(tǒng)進一步提高效率和控制精度。因此將固定點壓法、模糊控制方法和分段控制策略結合，建立復合型光伏MPPT控制方案是改善光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制性能的有效途徑。

參考文獻：

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(編輯：向飛)

Research on MPPT Control of Photovoltaic System Based on the Piecewise Fuzzy Control Method

LI Ying
（Guangzhou Railway Polytechnic，Guangzhou510430，China）

Abstract:This paper analyzes the electrical characteristics of PV system，presents a piecewise fuzzy MPPT control method with a combination between constant voltage method and perturbation and observation method.Through the analysis of the constant voltage method and the power-photovoltaic characteristic curve，determined the corresponding voltage range of maximum power point and divided the MPPT control into 4 sections，adopt different control strategies in different sections.A simulation study was conducted.The results show，the system is fast response and running stable，maximum power point tracking effect is good.

Key words:piecewise fuzzy control；photovoltaic system；MPPT

作者簡介：李營，男，1980年生，河北承德人，碩士，工程師/講師。研究領域：機電系統(tǒng)控制技術、機電一體化技術。

收稿日期：2015－07－17

DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2015.08.023

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1009－9492 (2015 ) 08－0082－05