魏毅立 王源
摘要:太陽能光伏電池是光伏發(fā)電的主要部件,根據(jù)等效電路圖推導(dǎo)得出其數(shù)學(xué)模型,并利用MATLAB/Simulink仿真軟件搭建仿真模型,在不同光照及溫度下得出其相應(yīng)的光伏特性曲線。同時(shí)對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT, maximum power point tracking)控制進(jìn)行分析,提出了一種新的模糊控制建模方法,并與常規(guī)的擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法進(jìn)行了仿真比較。經(jīng)過仿真表明,這種新的模糊控制方法具有更快的跟蹤速度,更好的平滑性和抗干擾性。
關(guān)鍵詞:光伏電池;最大功率點(diǎn)跟蹤;模糊控制;擾動(dòng)觀察法;電導(dǎo)增量法
中圖分類號(hào):TP273? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1009-3044(2020)26-0027-04
Abstract: Solar photovoltaic cell is the core of photovoltaic power generation, and its mathematical model can be deduced according to the equivalent circuit diagram, and the simulation model can be established by MATLAB/Simulink simulation software, and the corresponding photovoltaic characteristic curve can be obtained under different lighting and temperature. At the same time, a new fuzzy control modeling method is proposed based on the analysis of MPPT control, which is compared with the traditional perturbation observation method and conductance increment method. Simulation results show that this new fuzzy control method has faster-tracking speed, better smoothness and anti-interference.
Key words: photovoltaic cell; maximum power point tracking; fuzzy control; perturbation and observation; incremental conductance method
1引言
由于科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,整個(gè)人類社會(huì)對(duì)電能的依賴越來越大,再加上傳統(tǒng)化石能源的日益減少,環(huán)境污染的加重,太陽能、風(fēng)能等新能源發(fā)電占比不斷增加。目前,我國(guó)的光伏發(fā)電裝機(jī)容量連續(xù)幾年快速增長(zhǎng),截至2019年9月底已達(dá)到190190MW[1]。
在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,光伏電池的輸出特性不僅與它的構(gòu)成材料有關(guān),而且還受到光照強(qiáng)度、溫度和其他外在環(huán)境因素的影響,能否使發(fā)電效率穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)(MPP, maximum power point)處是整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵所在,目前常用的方法有擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法、滑??刂品?、模糊控制法等[2]。不同的控制方法其控制策略和效果也不同,根據(jù)不同的控制策略在Simulink中建立相應(yīng)的模型進(jìn)行仿真比較,得出不同的控制效果。同時(shí)也證明了提出這種新的模糊控制方法的可行性。
2光伏發(fā)電的數(shù)學(xué)模型與特性
光伏發(fā)電是利用光電效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電系統(tǒng),其具有可靠性高、清潔、可并網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)受到各國(guó)的青睞。光伏電池的結(jié)構(gòu)類似于PN結(jié),當(dāng)有光照時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電壓,根據(jù)相關(guān)原理可得光伏電池的等效電路,如圖1所示。
3 最大功率跟蹤控制原理
根據(jù)圖2和圖3可知,在不同光照及不同溫度下的P-V曲線都有一個(gè)MPP,為了使發(fā)電輸出功率達(dá)到最大值,可以通過MPPT控制使系統(tǒng)發(fā)電處于最大功率點(diǎn)處[5]。目前,大多數(shù)的方法是通過改變占空比來控制DC/DC變換電路,使不同環(huán)境下的輸出功率穩(wěn)定在MPP處[6,7],其控制簡(jiǎn)圖如圖4。圖5為光伏系統(tǒng)MPPT控制的仿真模型,主要由光伏電池模塊、DC/DC變換電路、MPPT控制模塊和PWM模塊組成,當(dāng)電壓電流檢測(cè)電路檢測(cè)到光伏電池的輸出電壓和電流時(shí),送到MPPT模塊,經(jīng)過MPPT控制器進(jìn)行尋優(yōu)輸出,并作為PWM模塊的輸入,使PWM調(diào)節(jié)DC/DC電路開關(guān)器件的占空比,從而使光伏電池穩(wěn)定在最大功率輸出狀態(tài)。
4幾種MPPT算法
4.1 擾動(dòng)觀察法
擾動(dòng)觀察法的原理是故意對(duì)電壓進(jìn)行擾動(dòng),然后根據(jù)擾動(dòng)前后功率的增減情況來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制,若功率增加,則繼續(xù)施加同向擾動(dòng),若功率降低,則施加反向擾動(dòng),采用這種方法有一個(gè)弊端,就是在穩(wěn)態(tài)時(shí)也會(huì)對(duì)電壓進(jìn)行增減擾動(dòng),從而造成了在穩(wěn)態(tài)也會(huì)在MPP處振蕩,這就造成了能量的損耗[8]。圖6是這種方法的仿真模型。
4.2 電導(dǎo)增量法
電導(dǎo)增量法是根據(jù)電導(dǎo)[(GG=IPV/VPV)]和電導(dǎo)增量[(ΔGG=dIPV/dVPV)]的比較結(jié)果對(duì)電壓進(jìn)行增減,使系統(tǒng)工作在MPP處,在MPP處功率導(dǎo)數(shù)為0,即[dPPV/dVPV=0],這種方法的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜對(duì)硬件要求也高[8-10]。圖7給出這種方法的仿真模型。
4.3 模糊控制法
近年來,模糊控制法在MPPT控制中得到大量應(yīng)用,都是以光伏電池的特性為依據(jù),通過相應(yīng)的規(guī)則來建立模糊控制器,從而來控制Boost電路的PWM占空比,達(dá)到MPPT控制[10]。各國(guó)學(xué)者建立模糊控制器的方法也有多種,文獻(xiàn)[11]是以[ΔPPV]和[ΔVPV]作為模糊控制器的輸入,文獻(xiàn)[12]是以[dVPV/dIPV]和[Δ(dVPV/dIPV)]作為模糊控制器的輸入,這些文獻(xiàn)中使用的解模糊化方法都是重心法。為了達(dá)到更快的跟蹤速度以及更好的平滑性,提出了一種新的模糊控制方法,以[dPPV/dVPV]和[Δ(dPPV/dVPV)]為輸入,用最大隸屬度平均法“mom”解模糊化,圖8給出了模糊控制的Simulink仿真圖。