黃 倩,鄧 亮,唐 忠

(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院,上海 200090)

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基于模糊控制的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT研究

黃 倩,鄧 亮,唐 忠

(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院,上海 200090)

摘 要:將太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)作為研究對(duì)象,以跟蹤太陽(yáng)能電池的最大功率為目標(biāo),在Matlab環(huán)境下,利用Simulink仿真技術(shù),建立仿真模型,對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT進(jìn)行研究.闡述了模糊控制法的基本原理,分別驗(yàn)證了環(huán)境條件的改變引起的功率變化.介紹了擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法兩種經(jīng)典方法,比較這三種方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以證明模糊控制法具有較好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能.

關(guān)鍵詞:光伏發(fā)電; 最大功率點(diǎn)跟蹤; 模糊控制

引言

目前,人類主要利用的能源是化石能源,如煤碳、石油、天然氣等.隨著人口增長(zhǎng),經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,化石能源的持續(xù)消耗,導(dǎo)致能源緊缺、環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重,人們開(kāi)始更多地關(guān)注清潔的可再生能源.太陽(yáng)能清潔無(wú)污染、而且可以長(zhǎng)期利用,是寶貴的可再生能源.因此,太陽(yáng)能的利用具有巨大的市場(chǎng)潛力,不應(yīng)忽視.太陽(yáng)能光伏發(fā)電是新能源研究的熱點(diǎn)之一,逐漸成為利用太陽(yáng)能的主要方式.太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展,深入探索光伏發(fā)電基本理論,掌握光伏發(fā)電領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù),對(duì)社會(huì)發(fā)展具有重要意義.

1　建立太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)一般是基于經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)的,為了對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化,需要建立適用于工程設(shè)計(jì)應(yīng)用的仿真模型.由于太陽(yáng)能電池陣列是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件,所以在光伏發(fā)電系統(tǒng)中對(duì)太陽(yáng)能電池陣列的仿真模型研究至關(guān)重要.以廠家提供的多晶硅太陽(yáng)能電池標(biāo)準(zhǔn)為參考,在光伏電池模型的基礎(chǔ)上,利用Simulink建立光伏電池仿真模型.在太陽(yáng)光強(qiáng)(S)1000W/m2,電池溫度(T)25℃的測(cè)試條件下,光伏電池電氣參數(shù)如下:

短路電流(Isc): 8.5A; 開(kāi)路電壓(Voc): 170V; 最大功率點(diǎn)電流(Im): 8A; 最大功率點(diǎn)電壓(Vm): 140V.建立仿真模型如圖1所示.

圖1 光伏組件仿真模型

為光伏電池模塊輸入不同的光照強(qiáng)度和溫度,可獲得不同條件下的I-V曲線、P-V曲線,如圖2所示.

圖2 光照和溫度對(duì)太陽(yáng)能電池的影響

從太陽(yáng)能電池的輸出特性曲線可以分析出太陽(yáng)能電池電流、電壓、最大功率的變化規(guī)律,以及太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)隨外界環(huán)境變化而變化.

由等效電阻變換可知:

其中R′為boost電路等效輸入阻抗,D為開(kāi)關(guān)占空比,RL為負(fù)載阻抗.

由此可以得出,開(kāi)關(guān)占空比越大,boost電路等效輸入阻抗就越小.通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)占空比,在輸入阻抗與光伏輸出阻抗匹配時(shí),光伏電池將達(dá)到最大的輸出功率.建立仿真模型如圖3所示.

建立太陽(yáng)能光伏發(fā)電仿真系統(tǒng),如圖4所示.負(fù)載取100?,開(kāi)關(guān)占空比D變化時(shí),光伏電池模塊輸出特性如圖5所示.

圖4 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)mppt仿真模型　

圖5 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)P-D曲線

從圖5中可以發(fā)現(xiàn),D大約為0.58時(shí)達(dá)到最大功率.

2　太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)追蹤控制算法的研究

根據(jù)以下步驟設(shè)計(jì)模糊控制器:

(1)輸入輸出變量確立.利用模糊自尋優(yōu)控制器,建立第n時(shí)刻的輸入量、輸出量與占空比步長(zhǎng)值的關(guān)系;

(2)推理規(guī)則確立.見(jiàn)表1;

(3)隸屬度函數(shù)確立.如圖6所示;

(4)解模糊方法確立.模糊決策選擇Mamdani推理算法,采用重心法作為解模糊方法.

表1 最大功率點(diǎn)跟蹤模糊控制表

圖6 模糊控制的隸屬度函數(shù)圖

建立模糊控制法的仿真電路,如圖7所示.

圖7 模糊控制實(shí)現(xiàn)MPPT仿真電路

為了比較模糊控制器的控制效果,還建立了另外兩種經(jīng)典算法的仿真模型,如圖8、圖9所示.

圖8 擾動(dòng)觀察法仿真電路

在S = 1000W/m2,T = 25oC,負(fù)載取100?時(shí),通過(guò)仿真分析,三種方法控制效果對(duì)比如圖10所示.

圖10 三種算法控制量D與輸出值P的比較

3　結(jié)論

通過(guò)仿真比較,可以看出在特定的光照強(qiáng)度和工作溫度下,三種算法都能實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤.從控制量占空比D的比較可清晰的看出模糊控制法穩(wěn)態(tài)時(shí)的波形較穩(wěn)定,比兩種經(jīng)典方法的穩(wěn)態(tài)性能好.從被控量P的比較可看出,模糊控制法可以更快地追蹤到最大功率點(diǎn),動(dòng)態(tài)性能優(yōu)于前兩者.綜上所述,模糊控制具有更好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能,體現(xiàn)了模糊控制的優(yōu)越性.

參考文獻(xiàn)

[1] 王競(jìng)超.光伏并網(wǎng)逆變器的研究[D].天津: 河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2011

[2] 李慧慧.基于模糊控制的光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤研究[D].太原: 太原科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2010

[3] 張彥敏.光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤非對(duì)稱模糊控制系統(tǒng)[D].秦皇島: 燕山大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009

[4] 楊金孝,朱 琳.基于Matlab/Simulink光伏電池模型的研究[D].西安: 西北業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012

[5] 黃克亞.光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤算法研究及實(shí)現(xiàn)[D].蘇州: 蘇州大學(xué)碩士學(xué)位論文,2010

[6] 劉 莉,張彥敏.一種擾動(dòng)觀察法在光伏發(fā)電MPPT中的應(yīng)用[J].電源技術(shù),2010,34(2): 186～189

[7] 江 帆.基于擾動(dòng)觀察法的高效率MPPT控制芯片設(shè)計(jì)[D].杭州: 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文,2011

[8] Marco Liserre,Rosa A.Mastromauro.Control Issues in Single-Stage Photovoltaic Systems:MPPT,Current and Voltage Control [J].IEEE工業(yè)電子,2012,8(2): 241～254

[9] Riad Kadri,Jean-Paul Gaubert.An Improved Maximum Power Point Tracking for Photovoltaic Grid-Connected Inverter Based on Voltage-Oriented Control [J].IEEE工業(yè)電子,2011,58(1): 66～75

[10] 劉金琨.先進(jìn)PID控制MATLAB仿真[M].第2版.北京: 電子工業(yè)出版社,2004

[11] 李 煒,朱新堅(jiān).光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制仿真模型[J].計(jì)算機(jī)仿真,2006,32(6): 239～243

[12] 岳建房.光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制技術(shù)研究[D].北京: 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012

The Research of Photovoltaic Generation Systems Combining MPPT Control Method Based on Fuzzy Control

HUANG Qian,DENG Liang,TANG Zhong
(College of Electrical Engineering,Shanghai University of Electrical Power,Shanghai 200090,China)

Abstract:The photovoltaic systems are discussed and analyzed,in order to obtain the maximum power of solar cells.And we take it as the goal that to track the maximum power of solar cell.The model of photovoltaic cells is established by using Simulink embedded function.The circuit model of Boost for research MPPT is abstracted.By the Combination of two models,photovoltaic system's basic MPPT principle was simulated.The three classical MPPT algorithms and the basic principle of fuzzy control are introduced.At the same time,the advantage,disadvantage and applications of P&O and ICA has been illustrated.We validate the changes of power caused by variations of atmosphere conditions simulation.Comparing the three methods in simulation,we can see that FC has better dynamic and static performances.

Key words:photovoltaic system,MPPT,fuzzy logic control

作者簡(jiǎn)介:黃 倩(1991?),女,湖南汨羅人,上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院碩士研究生.主要研究方向: 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化

收稿日期:2015-11-11

中圖分類號(hào):TM615

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1672-5298(2016)01-0048-06