基于模糊控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤算法研究

鞏瑞春　王瑞虹

摘 要：本文基于模糊控制算法，設(shè)計(jì)了光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法，然后分析了基于模糊控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤算法的工作原理和實(shí)現(xiàn)方法，最后對(duì)基于模糊控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤算法進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明：光伏電池仿真系統(tǒng)能夠有效跟蹤到最大功率點(diǎn)，且此時(shí)輸出最大功率、振蕩小、波形穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：最大功率點(diǎn);光伏發(fā)電系統(tǒng);模糊控制

中圖分類號(hào)：TM615文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2018）31-0109-03

Research on Maximum Power Point Tracking Algorithm of

Photovoltaic Power Generation System Based on Fuzzy Control

GONG Ruichun WANG Ruihong

（College of Information Science and Technology，Baotou Teachers'? College，Baotou Inner Mongolia 014031）

Abstract： Based on the fuzzy control algorithm， this paper designed the maximum power point tracking method for photovoltaic power generation system， then analysed the working principle and implementation method of the maximum power point tracking algorithm for photovoltaic power generation system based on fuzzy control. Finally， the maximum power point tracking algorithm for photovoltaic power generation system based on fuzzy control was simulated and analyzed. The results showed that the photovoltaic cell simulation system could effectively track the maximum power point， and the output maximum power， small oscillation， and stable waveform at this time.

Keywords： maximum power point;photovoltaic power generation system;fuzzy control

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)基本概述

光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體接受光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，并將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種關(guān)鍵技術(shù)。光伏發(fā)電的基本裝置是太陽(yáng)能電池，而光伏發(fā)電系統(tǒng)是指將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電系統(tǒng)[1]。

由于光伏電池輸出曲線本身具有非線性，所以當(dāng)外界條件發(fā)生改變時(shí)，光伏電池最大功率點(diǎn)位置也會(huì)相應(yīng)改變。為了提高光伏電池在不同條件下的功率值，最大程度改善太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的效率，需采用最大功率跟蹤技術(shù)。本文在分析光伏電池輸出特性的基礎(chǔ)上，引入了模糊控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電池最大功率點(diǎn)的跟蹤。模糊控制具有響應(yīng)快、魯棒性以及自適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，能有效提高控制精度和穩(wěn)定性，非常適合太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)研究。

2 最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)

2.1 MPPT的基本思想

光伏電池輸出功率受外部環(huán)境和內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響。當(dāng)光照強(qiáng)度和溫度確定時(shí)，光伏電池輸出的直流電壓值是呈多樣性的，光伏電池輸出功率與自身輸出電壓相關(guān)，輸出功率曲線穩(wěn)定在某一特定點(diǎn)，該點(diǎn)稱為最大功率點(diǎn)。當(dāng)光伏電池的功率受到光照強(qiáng)度、溫度等外界因素影響發(fā)生變化時(shí)，對(duì)之進(jìn)行調(diào)整，使光伏電池輸出功率盡可能達(dá)到最大，這種技術(shù)稱為最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)[2]。

2.2 最大功率控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)負(fù)載與電源內(nèi)阻相等時(shí)，負(fù)載可以獲取最大功率，但光伏電池內(nèi)阻會(huì)隨光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度變化而變化，所以不確定最佳負(fù)載大小。在光伏電池和負(fù)載之間增加一個(gè)Boost變換電路，通過(guò)PWM調(diào)制方式來(lái)驅(qū)動(dòng)Boost變換電路中的IGBT，利用占空比的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，從而達(dá)到獲取最大功率的目的。Boost電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在Boost電路中，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)的占空比達(dá)到調(diào)節(jié)光伏電池輸出電壓的目的，從而實(shí)現(xiàn)MPPT控制。因此，占空比的變化量就是步長(zhǎng)的變化量。設(shè)占空比[λ]為[tT]，得輸入電壓[Ud]與輸出電壓[U0]的關(guān)系如式（1）所示。

[U0=11-λUd]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：[T]為開(kāi)關(guān)時(shí)間，[t]為開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間。

3 模糊控制法實(shí)現(xiàn)MPPT

3.1 模糊控制法工作原理

本文所設(shè)計(jì)的MPPT控制方法是一種基于模糊邏輯算法的技術(shù)。模糊控制是將模糊集合經(jīng)過(guò)模糊推理轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)函數(shù)的一種智能控制方式，反映了輸入、輸出變量關(guān)系[3]。一般將誤差量e和誤差變化量[ec]當(dāng)作輸入變量，經(jīng)過(guò)模糊判決得到的值為輸出變量。輸入量e和[ec]的關(guān)系如式（2）、式（3）所示。

[epn-pn-1In-In-1]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

[ec=en-en-1]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：[pn]、[In]為n時(shí)刻采樣下的光伏電池輸出功率和輸出電流。

當(dāng)光伏電池在最大功率點(diǎn)[dPdI=0]時(shí)，由模糊控制原理可得誤差變化量[ec]為0。

3.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

3.2.1 模糊化。模糊化是實(shí)現(xiàn)模糊控制的一個(gè)重要步驟，模糊化是將模糊控制器輸入的模糊子集的具體值轉(zhuǎn)換成模糊子集及其隸屬函數(shù)的形式[4]。

首先確定輸入、輸出量。模糊控制器采用雙輸入量單輸出量的形式，設(shè)輸入量為誤差量[e]和誤差變化量，[ec]輸出量為占空比[λ]，由式2可知，當(dāng)誤差變化量[ec]為0時(shí)，輸出功率達(dá)到最大值，光伏電池工作在此輸出點(diǎn)。

其次，輸入輸出量模糊子集與論域確定。定義模糊集合：Z為零、PS為正小、PM為正中、PB為正大、NB為負(fù)大，NM為負(fù)中，NS為負(fù)小，則e、[ec]與[λ]集合如式（4）～式（6）所示。

[e=NB，NM，NS，Z，PA，PM，PB]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

[ec=NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

[λ=NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

將其模糊論域分別定義為[e=-3，3]，[ec=-3，3]，[λ=-3，3]。

3.2.2 建立模糊規(guī)則表思路。建立模糊規(guī)格表的基本思路如下：若離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，可采用較大的步長(zhǎng)控制Boost電路占空比;若離最大功率點(diǎn)較近時(shí)，則采用較小的步長(zhǎng)控制Boost電路占空比。即功率增加時(shí)，不改變?cè)姓{(diào)節(jié)方向;功率減小時(shí)，按相反方向調(diào)節(jié)占空比。

3.3 模糊控制系統(tǒng)的MATLAB/Simulink實(shí)現(xiàn)方法

模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真是以Simulink中各模塊為基礎(chǔ)，架構(gòu)而成的仿真模型圖。模糊控制系統(tǒng)中最重要的模塊是Fuzzy Logic Controller，其內(nèi)部由一個(gè)“FIS S-function”模塊組成，需要將在命令窗口設(shè)置模糊控制器FIS結(jié)構(gòu)文件并嵌入到“FIS S-function”中，實(shí)現(xiàn)“Fuzzy Logic Controller”模塊與Simulink銜接[5]。

把FIS文件嵌入“Fuzzy Logic Controller”模塊的方法是在MATLAB窗口中輸入命令“XXX=readfis（），依據(jù)路徑尋找文件‘Mppt_fuzz.fis”，回車即可把FIS結(jié)構(gòu)文件“XXX”送入到MATLAB的工作空間。

4 模糊控制MPPT仿真與分析

4.1 電路仿真模型

本文通過(guò)設(shè)計(jì)模糊控制器，實(shí)現(xiàn)了利用模糊控制器控制Boost電路的MATLAB/Simulink仿真，并對(duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤。在仿真電路中，各電路元件的參數(shù)選取分別為[C2=300μF]、[L2=3mH]、[Cdu1=100μF]。光伏電池工作電壓[Vm]為21.7V，工作電流[Im]為6.5A，短路電流[Isc]為9A，開(kāi)路電壓Voc為25.5V。模糊控制法MPPT仿真圖如圖2所示。

4.2 仿真結(jié)果與分析

在電路模型中，設(shè)置光伏電池模塊溫度為25℃，可知在0、0.1s和0.2s時(shí)刻，光照強(qiáng)度分別為400、600W/m2、1 000W/m2，光伏電池輸出電壓、電流、功率隨時(shí)間變化的曲線如圖3所示?？梢钥闯?，隨著光照強(qiáng)度的增加，光伏電池的輸出功率點(diǎn)上升，并且很快到達(dá)最大功率點(diǎn)附近，且處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒(méi)有產(chǎn)生劇烈振蕩[6]。

5 結(jié)論

仿真結(jié)果表明，光伏電池仿真系統(tǒng)能夠有效跟蹤到最大功率點(diǎn)，且此時(shí)輸出最大功率、振蕩小、波形穩(wěn)定。通過(guò)改變光照強(qiáng)度、溫度，仿真的準(zhǔn)確性得到驗(yàn)證，證明了光伏發(fā)電系統(tǒng)工作效率可以通過(guò)模糊控制法實(shí)現(xiàn)得到提高，光伏發(fā)電系統(tǒng)響應(yīng)速度及穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)一步得到提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃瑞，孫黎霞.基于占空比模糊控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT技術(shù)[J].電子工程設(shè)計(jì)，2013（7）：101-104.

[2]王述彥，師宇，馮忠緒.基于模糊PID控制器的控制方法研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2011（1）：166-172.

[3]許世偉.基于模糊控制PID控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT技術(shù)的研究[D].南京：南京師范大學(xué)，2017.

[4]付周興，靳海亮，李忠.一種基于Boost電路的光伏最大功率跟蹤方法[J].半導(dǎo)體光電，2013（1）：141-144.

[5]喬興宏，吳必軍，王坤林，等.基于模糊控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT[J].可再生能源，2008（5）：13-16.

[6]任碧瑩，鐘彥儒，孫向東，等.基于模糊控制的最大功率點(diǎn)跟蹤方法研究[J].電力電子技術(shù)，2008（11）：47-48.