淺析基于模糊控制法的最大功率點(diǎn)跟蹤
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【摘要】：針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤原理進(jìn)行分析和闡述，介紹了幾種傳統(tǒng)的最大功率跟蹤方法的缺點(diǎn)，本文在分析光伏電池特性的基礎(chǔ)上，對(duì)幾種傳統(tǒng)的最大功率跟蹤方法進(jìn)行了介紹，提出了基于模糊控制理論的最大功率點(diǎn)跟蹤法，并與擾動(dòng)觀測(cè)法進(jìn)行了對(duì)比和分析，證明模糊控制算法具有更好的系統(tǒng)響應(yīng)特性和穩(wěn)態(tài)特性。
論文關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電,最大功率點(diǎn)跟蹤,模糊控制
1 光伏電池特性分析
太陽(yáng)能電池的基本特性可以用電流和電壓的關(guān)系曲線來(lái)表征，電流、電壓之間的關(guān)系自然又是通過(guò)其他一系列參變量來(lái)表征，特別是和投射于太陽(yáng)能電池表面的日照強(qiáng)度有關(guān)，當(dāng)然也和太陽(yáng)能電池的溫度以及光線的光譜特性等有關(guān)。光伏電池的輸出電流與輸出電壓的關(guān)系可以由如下公式來(lái)表達(dá):
(1)
式中:I—光伏電池的輸出電流(A)；V：光伏電池板的輸出電壓(V)；q：一個(gè)電子所含的電荷量(l.6x10-19C)；k為波爾茲曼常數(shù)(l.38×10－23J/K)；T：光伏電池板表面溫度(K)；n：光伏電池板的理想因數(shù)(n=1-5)；I0：二極管飽和電流。
在Matlab中根據(jù)上述公式可以建立光伏電池的仿真模型，光伏電池的matlab仿真模型如圖1所示：
圖1 光伏電池的matlab仿真模型
根據(jù)光伏電池的matlab仿真模型可以繪制出不同輻照度和不同溫度條件下的I-V、P-V曲線如圖2所示。其中圖(a)、圖(c)標(biāo)注為輻照度，單位為W/m2;圖(b)、圖(d)標(biāo)注為陣列表面溫度，單位為℃。
圖2 光照和溫度對(duì)太陽(yáng)能電池的影響
從圖2四組特性曲線可以看出輻照度主要影響太陽(yáng)光伏電池的短路電流，而溫度則影響太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓，在一定的光照和溫度條件下，太陽(yáng)能光伏電池存在單峰值最大功率。
2幾種傳統(tǒng)的最大功率跟蹤方法
2．1恒定電壓法
恒定電壓法（Constant Voltage method,CV）在太陽(yáng)能電池溫度變化不大時(shí)，太陽(yáng)能電池的輸出P—V 曲線上的最大功率點(diǎn)幾乎分布于一條垂直直線的兩側(cè)。因此，若能將太陽(yáng)能電池輸出電壓控制在其最大功率點(diǎn)時(shí)的電壓處，這時(shí)太陽(yáng)能電池將工作在最大功率點(diǎn)。恒定電壓法特點(diǎn)是：檢測(cè)參數(shù)少、對(duì)硬件電路的要求低、實(shí)現(xiàn)比較容易，但是跟蹤控制的效率差、僅適用于小功率發(fā)電設(shè)備中。
2．2擾動(dòng)觀察法
擾動(dòng)觀察法（Perturb and Observe method，PO）是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的輸出電壓、電流或PWM信號(hào)上疊加一個(gè)或正或負(fù)的擾動(dòng)，在跟蹤控制過(guò)程中，通過(guò)不間斷地比較系統(tǒng)的輸出功率值來(lái)判斷所受的擾動(dòng)是增強(qiáng)型的還是削弱型的，進(jìn)而對(duì)控制PWM脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制。擾動(dòng)觀察法的特點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易，但是在最大功率點(diǎn)附近的波動(dòng)現(xiàn)象會(huì)影響系統(tǒng)的輸出，特別是在天氣狀況惡劣的情況下，甚至于不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制。
2.3電導(dǎo)增量法
電導(dǎo)增量法（Incremental Conductance method,IC）是根據(jù)光伏電池的輸出特性中電壓和功率的關(guān)系實(shí)現(xiàn)控制的。電導(dǎo)增量法的特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易，而且與擾動(dòng)觀察法相比，在最大功率點(diǎn)附近沒(méi)有較大的波動(dòng)現(xiàn)象，但此方法在實(shí)踐中對(duì)硬件的要求較高，不僅系統(tǒng)成本增加，最大功率跟蹤控制調(diào)節(jié)的周期也會(huì)增加，影響了控制的時(shí)實(shí)性，如果在環(huán)境惡劣、天氣情況多變的情況下是不太適合使用的。
3 模糊控制法
模糊邏輯控制的MPPT方法是基于光伏電池溫度與負(fù)載情況的變化、輻照度的不確定性以及光伏電池輸出特性的非線性特征而提出的[2]。為實(shí)現(xiàn)MPPT控制，模糊控制系統(tǒng)將采樣得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)運(yùn)算，判斷出工作點(diǎn)與最大功率點(diǎn)之間的位置關(guān)系，自動(dòng)校正工作點(diǎn)電壓值，使工作點(diǎn)趨于最大功率點(diǎn)。
3.1 模糊控制器的輸入和輸出變量
定義模糊邏輯控制器的輸出變量為工作點(diǎn)電壓的校正量
，輸入變量則分別為光伏電池P-V特性曲線上連續(xù)采樣的兩點(diǎn)連線的斜率值E以及單位時(shí)間斜率的變化值CE，即
（2）
（3）
其中，
和
分別為光伏電池的輸出功率及輸出電壓的第k次采樣值。顯然，若
，則表明光伏電池已經(jīng)工作在最大功率輸出狀態(tài)。
3.2 模糊化
將模糊集合論域
和
分別定義為5個(gè)模糊子集，即
E={NB，NS，ZE，PS，PB}；CE={NB，NS，ZE，PS，PB}
其中，NB，NS，ZE，PS，PB分別表示負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大。
根據(jù)光伏系統(tǒng)特征，采用均勻分布的三角形隸屬度函數(shù)來(lái)確定輸入變量（E和CE）和輸出變量（）不同取值與相應(yīng)語(yǔ)言變量之間的隸屬度。如圖3所示，E﹑CE﹑中任一變量的隸屬度函數(shù)圖相同。
圖3 隸屬度函數(shù)示意圖
3.3 模糊推理運(yùn)算
模糊邏輯控制器的作用是調(diào)節(jié)控制信號(hào)
使光伏系統(tǒng)工作在最大功率輸出狀態(tài)。對(duì)圖4所示的光伏電池P-V特性曲線進(jìn)行分析，可以得出MPPT的邏輯控制規(guī)則，即：當(dāng)
，
時(shí)，P由左側(cè)向
靠近；則應(yīng)為正，以繼續(xù)靠近最大功率點(diǎn)；當(dāng)
，
時(shí)，P由左側(cè)遠(yuǎn)離；則應(yīng)為正，以靠近最大功率點(diǎn)；當(dāng)
，
時(shí)，P由右側(cè)向靠近；則應(yīng)為負(fù)，以繼續(xù)靠近最大功率點(diǎn)；當(dāng)
，
時(shí)，P由右側(cè)遠(yuǎn)離；則應(yīng)為負(fù)，以靠近最大功率點(diǎn)；
圖4 MPPT的邏輯控制規(guī)則示意
由MPPT的邏輯控制規(guī)則，可以得到表1所示的模糊控制規(guī)則推理表，該表反映了當(dāng)輸入變量E和CE發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)輸出變量的變化規(guī)則。由此即得出對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言變量。
E
CE
NB
NS
ZE
PS
PB
NB
PB
PS
PS
ZE
ZE
NS
PB
PS
PS
ZE
ZE
ZE
PB
PS
ZE
NS
NB
PS
ZE
ZE
NS
NS
NB
PB
ZE
ZE
NB
NB
NB
表1 模糊規(guī)則推理表
3.4 清晰化
清晰化是指根據(jù)輸出模糊子集的隸屬度計(jì)算出確定的輸出變量的數(shù)值。本文清晰化采用面積重心法。面積重心法的計(jì)算公式如下：
（4）
式中，為模糊邏輯控制器輸出的電壓校正值。根據(jù)給出的隸屬度函數(shù)，E、CE按照其取值對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的語(yǔ)言變量，依據(jù)表1可以判斷出輸出變量對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言變量，該語(yǔ)言變量在隸屬度函數(shù)中對(duì)應(yīng)的數(shù)值區(qū)間的中心值即為
。
是對(duì)應(yīng)于權(quán)值，由隸屬度函數(shù)決定E、CE對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的語(yǔ)言變量的權(quán)值根據(jù)MAX-MIN方法計(jì)算得到。
4 仿真實(shí)驗(yàn)
4.1 仿真模型
本文中的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為單相全橋，采用電流內(nèi)環(huán)、直流電壓中環(huán)以及MPPT功率外環(huán)的三閉環(huán)控制[3]。電流內(nèi)環(huán)主要由電網(wǎng)電壓和電流采樣環(huán)節(jié)、電壓同步環(huán)節(jié)、電流調(diào)節(jié)器、PWM調(diào)制和驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)等組成，以此實(shí)現(xiàn)直流到交流的逆變以及網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)正弦波電流控制；直流電壓中環(huán)主要由直流母線電壓檢測(cè)、電壓調(diào)節(jié)器等組成，以調(diào)節(jié)直流母線電壓；MPPT功率外環(huán)主要由輸入功率采樣環(huán)節(jié)和功率點(diǎn)控制環(huán)節(jié)等組成，MPPT功率外環(huán)的輸出作為直流電壓中環(huán)的直流電壓指令，通過(guò)直流電壓中環(huán)的電壓調(diào)節(jié)來(lái)搜索光伏電池的MPP，從而使并網(wǎng)光伏系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)MPPT運(yùn)行。圖5為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，根據(jù)光伏電池的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)Matlab/simulink對(duì)光伏電池進(jìn)行建模并封裝，光伏電池的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的變化由signal builder模擬，系統(tǒng)中的部分算法和傳遞函數(shù)采用S-funtion builder編寫實(shí)現(xiàn)，PWM模塊采用DDS算法來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電流對(duì)電網(wǎng)電壓的相位跟蹤。
圖5 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型
4.2 仿真結(jié)果
在仿真過(guò)程中，算法采用ode23tb，仿真時(shí)間設(shè)置為4s，采樣周期設(shè)置為為5e-7s。圖6為當(dāng)太陽(yáng)光照強(qiáng)度從1000
突變到800，再由800突變到600 條件下的最大功率點(diǎn)跟蹤曲線。從圖中可以明顯看出，模糊控制法在0.15s處基本已經(jīng)跟蹤到最大功率點(diǎn)，并且比較穩(wěn)定；而擾動(dòng)觀測(cè)法則在0.45s處才能跟蹤到最大功率點(diǎn)，并且由于存在一定的擾動(dòng)步長(zhǎng)而未真正達(dá)到最大功率點(diǎn)，使得輸出功率穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)附近的某功率值處。
圖6 光照突變條件下的最大功率點(diǎn)跟蹤曲線
Fig.8 The curve of MPPT under different irradiance conditions
圖7為采用模糊控制的光伏系統(tǒng)逆變器輸出電流跟蹤電網(wǎng)電壓的過(guò)程。從圖中可以看出逆變器輸出電流在0.14s內(nèi)基本達(dá)到與電網(wǎng)電壓同頻同相，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)。
圖7 相位跟蹤曲線
綜上分析可知，采用模糊控制的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有良好的系統(tǒng)響應(yīng)特性和系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性，使輸出功率穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)處。
5 結(jié)語(yǔ)
本文對(duì)光伏電池的工作特性進(jìn)行詳盡分析并建立仿真模型，在分析幾種傳統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法的缺點(diǎn)后，提出了基于模糊控制的最大功率點(diǎn)算法。仿真結(jié)果表明：模糊控制法可以有效提高光伏電池的能量利用率，當(dāng)外界光照強(qiáng)度變化時(shí)，系統(tǒng)能迅速穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)處，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)性能。
【參考文獻(xiàn)】
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