蔡慶春 馮 翔

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基于模糊控制的光伏系統(tǒng)MPPT仿真研究

蔡慶春 馮 翔

本文在模擬太陽(yáng)能光伏陣列輸出特性和建立仿真模型的基礎(chǔ)上，研究最大功率點(diǎn)跟蹤的原理和方法，提出了基于模糊控制理論的跟蹤算法，并在Matlab中進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明該控制策略具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

太陽(yáng)能作為21世紀(jì)最理想的能源之一，備受人們青睞。光伏發(fā)電技術(shù)雖然前景廣闊，但是由于光伏電池本身非線性的特點(diǎn)，如何提高光伏系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率仍亟待解決。為了使光伏發(fā)電系統(tǒng)在同樣日照、溫度的條件下輸出更多的電能，本文提出了最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）的問(wèn)題。

傳統(tǒng)的MPPT算法存在跟蹤緩慢、效率低下、浪費(fèi)嚴(yán)重的問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題，采用了模糊控制技術(shù)進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。模糊控制良好的魯棒性和實(shí)時(shí)性特別適合光伏系統(tǒng)這種時(shí)變、非線性系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)。

光伏特性

光伏電池在任意太陽(yáng)輻射照度下的輸出特性方程為：

公式（1）中，Iph是光生電流，值等于短路電流Isc；I0是二極管反向飽和電流；q 是電子的電荷量，值為1.6029× 10-19C；K是波爾茲曼系數(shù)，k=1.3819× 10-23J/K ；A是二極管理想因素；Tj為光伏電池模塊的結(jié)溫；Id為二極管內(nèi)部電流；Vpv光伏電池模塊的電壓。

一般取

功率Ppv的表達(dá)式為：

本文基于上述的數(shù)學(xué)模型，并利用Matlab的Simulink組件，建立了光伏陣列的通用仿真模塊。仿真主要考慮到光照強(qiáng)度的影響，根據(jù)仿真結(jié)果可以得到不同光照強(qiáng)度下P-V特性曲線，與實(shí)際所測(cè)相吻合。

為了最大限度的讓電池輸出最大功率，使其發(fā)揮最大的效率，需要不斷根據(jù)光照、環(huán)境溫度等外部特性來(lái)調(diào)整光伏電池的輸出工作點(diǎn)，使其始終工作在最大功率點(diǎn)附近，這種控制策略稱之為最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（MPPT）。

模糊控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制的原理

圖1　不同光照下P－V特性曲線（T=25℃）

模糊控制是基于模糊集合理論、模糊邏輯、模糊推理和模糊控制的一種算法結(jié)構(gòu)及計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。它以被控對(duì)象的輸出偏差ec與偏差變化率為輸入變量，被控量為輸出變量，通過(guò)模糊邏輯推理得到控制變量的模糊集，再經(jīng)過(guò)模糊判決得出輸出控制的精確量來(lái)調(diào)節(jié)被控對(duì)象，使被控過(guò)程達(dá)到預(yù)期的控制效果。模糊控制器設(shè)計(jì)是模糊控制的核心，其設(shè)計(jì)關(guān)鍵是確定好模糊規(guī)則，制定出模糊控制規(guī)則表，模糊控制規(guī)則表是根據(jù)專家或者操作者通過(guò)控制實(shí)踐總結(jié)出來(lái)的一系列規(guī)則列表。

模糊控制器的設(shè)計(jì)

輸入/輸出量的確定

由光伏電池的功率曲線可知，系統(tǒng)存在唯一的最大功率點(diǎn)，此時(shí)有dPpv/dUpv=0。把dPpv/dUpv作為模糊控制器的偏差輸入E（n），把dPpv/dUpv的變化率作為模糊控制器的偏差變化率輸入CE（n）。輸出為Boost調(diào)節(jié)電路占空比D（n），通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出功率與電壓的數(shù)據(jù)來(lái)追蹤控制最大功率點(diǎn)。

論域范圍及運(yùn)算規(guī)則

模糊子集的定義有：

E（n）與CE（n）設(shè)定為｛NL NA NS ZE PS PA PL｝，含有七個(gè)模糊變量描述其大小的模糊子集，D（n）設(shè)定為｛NL NA NS ZE PS PA PL｝，含有七個(gè)模糊變量描述占空比整定步長(zhǎng)的模糊子集。表示的含義分別為負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大。

論域規(guī)定：E（n）為｛-1 1｝，CE（n）為｛-10 10｝，D（n）為｛0.1 0.7｝。

模糊推理方法采用常用的馬達(dá)尼法。解模糊采用比較常用的質(zhì)心法。

模糊控制規(guī)則

通過(guò)考慮外界環(huán)境因素對(duì)光伏電池輸出功率的影響，可得出如下結(jié)論：

（l）當(dāng)E（n）<0且CE（n）<0時(shí)，工作點(diǎn)位于Pmax的右邊，且正在遠(yuǎn)離Pmax；

（2）當(dāng)E（n）<0且CE（n）>0時(shí)，工作點(diǎn)位于Pmax的右邊，且正在向Pmax靠近；

（3）當(dāng)E（n）>0且CE（n）<0時(shí)，工作點(diǎn)位于Pmax的左邊，且正在向Pmax靠近；

（4）當(dāng)E（n）>0且CE（n）>0時(shí)，工作點(diǎn)位于Pmax的左邊，且正在遠(yuǎn)離Pmax。

模糊控制規(guī)則的設(shè)定主要根據(jù)以上四條結(jié)論，使E（n）始終向零的方向靠近，達(dá)到最大功率輸出。依據(jù)上述原理，在距離最大功率點(diǎn)拐點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)采用較大的調(diào)節(jié)步長(zhǎng)，反之則采用較小的調(diào)節(jié)步長(zhǎng)進(jìn)行對(duì)BOOST升壓電路的MOSFET管的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，完成對(duì)光伏電池系統(tǒng)的MPPT控制。

圖2　光照G從400W/m 2躍遷到600W/m 2時(shí)的功率P輸出波形

得到的控制規(guī)則表如表1所示。

表1　模糊控制規(guī)則表

系統(tǒng)的建模與仿真

仿真時(shí)采用固定步長(zhǎng)為0.00001s，仿真時(shí)間為0.05s，仿真算法為ode8（Dormand prince），E（n）量化因子為25到28，CE（n）量化因子為100到110。在Matlab中搭建Boost電路進(jìn)行了算法模塊的驗(yàn)證。通過(guò)改變光照強(qiáng)度得到了如下的曲線。

綜上所述，模糊控制算法可以使光伏電池迅速到達(dá)最大功率點(diǎn)，并在最大功率點(diǎn)穩(wěn)定工作。當(dāng)光照條件改變時(shí)，光伏電池也能迅速跟蹤并穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)。由此可得，模糊控制能夠有效地改善光伏電池的滯后性和非線性。

結(jié)語(yǔ)

本文分析了光伏電池和MPPT技術(shù)的原理，并采用了模糊控制算法對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)控制占空比使系統(tǒng)穩(wěn)定工作在最大功率點(diǎn)。仿真實(shí)驗(yàn)表明：無(wú)論在響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性、魯棒性上模糊控制均表現(xiàn)出極佳的性能，應(yīng)用前景良好。

蔡慶春 馮 翔

沈陽(yáng)化工大學(xué)信息工程學(xué)院

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.001