吳修權(quán)，劉偉麗，姜明明

(山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000)

1 引言

在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，初期投資費(fèi)用高，并且系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率低。太陽能電池受環(huán)境的影響嚴(yán)重，輸出不穩(wěn)定，效率差[1]。同時光伏電池的價格昂貴，轉(zhuǎn)換率低，光伏系統(tǒng)的推廣受到很大限制。最大功率點(diǎn)跟蹤可以保證相同光照條件和硬件設(shè)備投入的前提下獲取功率，獲取最大發(fā)電量。最大功率點(diǎn)的跟蹤可以在保持系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時提高光伏系統(tǒng)的利用率。本文采用了基于模糊控制的擾動觀察法，具有響應(yīng)速度快、控制精度高。系統(tǒng)穩(wěn)定性好等優(yōu)勢。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 最大功率跟蹤系統(tǒng)簡介

當(dāng)外部環(huán)境因素變化時，光伏電池的負(fù)載特性呈現(xiàn)非線性變化，如圖1所示。

圖1 光伏電池P-U曲線在不同光照強(qiáng)度下的變化Fig.1 Changes of PV cell P-U curve under different light intensity.

圖1顯示輸出功率會隨輸出電壓的變化而變化，在P-U曲線的最高點(diǎn)就是最大功率點(diǎn)。多條P-U曲線顯示不同光照強(qiáng)度下，最大功率點(diǎn)所對應(yīng)的電壓不同。根據(jù)環(huán)境變化調(diào)整光伏陣列的工作電壓使輸出功率時刻保持最大。這就是本文研究的最大功率點(diǎn)跟蹤。

2.2 系統(tǒng)方案選擇

最大功率跟蹤控制系統(tǒng)方案包括跟蹤控制算法和控制電路兩部分。

2.2.1 跟蹤控制算法方案選擇

跟蹤控制算法主要有模糊控制法、恒壓法、擾動觀察法、最優(yōu)梯度法、增量電導(dǎo)法等。從成本、復(fù)雜程度、精準(zhǔn)度和響應(yīng)速度等方面綜合考慮本文選擇擾動觀察法。

擾動觀察法原理是給工作電壓一個小的擾動，輸出功率隨之變化。功率增大則繼續(xù)原方向擾動，若減小則改變方向。通過系統(tǒng)分析選取DC-DC變換器的占空比為擾動對象，如果增加占空比光伏陣列輸出功率增加，則繼續(xù)增加，反之則減少[2]。

擾動觀察跟蹤算法硬件結(jié)構(gòu)簡單，被測量少，對傳感器精度要求低，實現(xiàn)簡單。但也存在缺點(diǎn)，引入擾動后系統(tǒng)會出現(xiàn)震蕩，造成功率損失。因此擾動步長大小的選取要兼顧系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。因此擾動觀察法較適合用在光線強(qiáng)度變化較慢的場合。但因地域和環(huán)境的不確定性，光伏電池溫度、負(fù)載和光照強(qiáng)度都是非線性，最大功率點(diǎn)也是時刻變化的。針對這樣的非線性系統(tǒng)，使用模糊控制方法，將會獲得更理想的效果。

綜上所述，本系統(tǒng)采用基于模糊控制的擾動觀察法，測量參數(shù)少、硬件要求低、控制算法簡單，同時提高了系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

2.2.2 控制電路方案選擇

光伏電路外接負(fù)載時改變時，輸出功率會發(fā)生變化，當(dāng)阻值匹配時輸出功率最大。但現(xiàn)實中外部負(fù)載不可控，因而通過調(diào)節(jié)DC/DC電路PWM的占空比實現(xiàn)阻抗匹配。通過Pspice對電路進(jìn)行仿真獲得數(shù)據(jù)，使用MATLAB進(jìn)行曲線擬合可得輸出功率隨占空比變化的關(guān)系曲線圖。

圖2 輸出功率隨占空比變化的關(guān)系曲線圖Fig.2 The relation graph of output power changing with duty ratio.

DC-DC變換器有BUCK變換器、BOOST變換器和BUCK-BOOST變化器三種類型。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)BOOST電路具有直流側(cè)的電壓配置更加靈活、輸出電流紋波較小等優(yōu)點(diǎn)。最大功率跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下。

圖3 最大功率跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of maximum power tracking system.

2.3 最大功率跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 模糊控制算法設(shè)計

模糊控制采用雙輸入單輸出結(jié)構(gòu)，將輸出功率作為系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)，占空比D作為控制變量。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 模糊控制算法原理圖Fig.4 Schematic diagram of fuzzy control algorithm.

模糊控制規(guī)則

(1)最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)處，采用較大步長加快系統(tǒng)響應(yīng)速度；最大功率點(diǎn)附近，采用較小步長降低擾動的幅度，減少功率的損失。

(2)如果輸出功率增加，則繼續(xù)向原擾動方向調(diào)整，否則調(diào)整擾動方向。

(3)當(dāng)處于最大功率點(diǎn)附近的極小區(qū)域時，系統(tǒng)保持穩(wěn)定，避免震蕩。

(4)當(dāng)外界因素改變，輸出功率發(fā)生明顯變化時，系統(tǒng)快速做出反應(yīng)，進(jìn)行再次尋優(yōu)[3]。

遵循控制規(guī)則，并對實際仿真結(jié)果進(jìn)行調(diào)整確定最終模糊控制規(guī)則表。

模糊控制器動作一次，先將觀測值數(shù)值輸入到模糊控制器中，然后經(jīng)過模糊化、模糊推理以及解模糊后，作用在被控對象上。這樣控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，實時性較差[4]。所以本系統(tǒng)通過離線方式計算得出觀測值和對應(yīng)的控制值的模糊控制表。

表1 模糊控制規(guī)則表Table 1 Fuzzy control rule table.

控制系統(tǒng)只需將E、Ec量化后，通過查表的方式即可完成輸出，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)算過程減少，從而模糊控制系統(tǒng)實時性得以提升。

2.3.2 硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)的設(shè)計主要包括：變換電路，電壓、電流采樣電路和A/D電路。以變換電路為例講述元器件參數(shù)的選擇。

首先，分析BOOST電路中電感和電容對電路性能的影響，分別選取不同的電感和電容在Pspice軟件中進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 不同電感值下的BOOST輸出特性曲線Fig.5 BOOST output characteristic curves with different inductance values.

圖6 不同電容值下的BOOST輸出特性曲線Fig.6 BOOST output characteristic curves with different capacitance values.

電感值的選取影響輸出電壓和電感上的紋波電流，電容值的選取影響響應(yīng)速度和電壓波動幅度。在此，要求電感上的紋波電流小于20%，輸出電壓的紋波系數(shù)為1%。根據(jù)仿真結(jié)果選擇電感1.5 mH，電容25 uF。

對不同的負(fù)載阻抗在Pspice中進(jìn)行仿真，可得BOOST電路輸出功率隨負(fù)載阻值變化的曲線。

圖7 BOOST電路輸出電壓隨負(fù)載阻值變化的曲線Fig.7 BOOST circuit output voltage curve with load resistance.

由圖可見，負(fù)載阻值從0開始增加時，輸出功率先增加后減小，通過改變負(fù)載電阻可以達(dá)到最大功率輸出，但實際中負(fù)載阻值不能隨意改變。通過推導(dǎo)可得出內(nèi)部等效電阻的表達(dá)式：

R′=RL(1-D)2

分析可知：R′值隨著D值的增大而減小。所以系統(tǒng)采用改變占空比而改變內(nèi)部等效電阻的方式來實現(xiàn)最大功率輸出是可行的。圖8為不同的占空比下BOOST電路輸出功率的仿真波形圖。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件程序的主要功能是檢測當(dāng)前光伏電池的輸出功率，通過模糊控制調(diào)節(jié)電路中開關(guān)管的占空比，實現(xiàn)最大功率跟蹤。系統(tǒng)軟件采用Verilog硬件描述語言編寫。

最大功率跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計的程序流程圖如圖8所示。

圖8 最大功率跟蹤控制系統(tǒng)程序流程圖Fig.8 Maximum power tracking control system program flow chart.

跟蹤控制系統(tǒng)可分成四個部分：數(shù)據(jù)采集模塊、功率計算分析模塊、模糊控制器模塊和PWM信號產(chǎn)生模塊。其功能結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

圖9 最大功率跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計程序流程圖Fig.9 Flow chart of hardware design program for maximum power tracking system.

3 結(jié)果驗證

對PWM模塊進(jìn)行仿真，可得仿真結(jié)果圖如圖10所示。

圖10 PWM模塊波形仿真結(jié)果圖Fig.10 WM module waveform simulation result diagram.

對整個控制系統(tǒng)整體仿真波形圖如圖11所示。

圖11 最大功率跟蹤控制系統(tǒng)仿真波形圖Fig.11 Maximum power tracking control system simulation waveform.

4 結(jié)論

本文提出了基于模糊控制的擾動觀察法。通過控制BOOST電路開關(guān)的占空比來調(diào)節(jié)內(nèi)部等效電阻的方式實現(xiàn)最大功率跟蹤。響應(yīng)速度快、硬件電路結(jié)構(gòu)簡單、避免震蕩造成能量損失，提升了光伏發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。