基于模糊控制的光伏電池MPPT的設(shè)計

0 引 言
    隨著全球能源緊張問題的日益嚴(yán)重，再生能源正得到越來越廣泛的應(yīng)用。近年來，光伏能源以其具有無污染，可長期使用等優(yōu)點，得到了很大的發(fā)展。一般光伏系統(tǒng)都希望光伏電池陣列在同樣日照、溫度的條件下輸出盡可能多的電能，即在理論上和實踐上提出了光伏電池陣列的最大功率點跟蹤(Maximum Power。Point Tracking，MPPT)問題。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中由于陣列的功率等級一般較大，因此MPPT問題顯得尤為重要。故利用智能控制方法上的智能性、自適應(yīng)性來對非線性的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制，無疑是一個很好的選擇。

1 光伏電池的最大功率點
    從圖l中可以看出，在一定的光照強(qiáng)度與溫度下，光伏電池輸出曲線上都可以找到一個最大的功率輸出點Pm，如果可以使光伏電池時工作在最大功率點，就可以極大地提升光伏電池的效率，故應(yīng)尋找其最大功率點，即尋優(yōu)。

2 MPPT控制的原理與設(shè)計
    MPPT控制的原理實質(zhì)上是一個動態(tài)自尋優(yōu)過程，通過對光伏電池當(dāng)前輸出電壓與電流的檢測，得到當(dāng)前電池輸出功率，將其與前一時刻功率相比較，然后根據(jù)功率與占空比的關(guān)系，改變占空比，使其向最大功率點不斷靠近，如此反復(fù)，直至達(dá)到最大點附近的一個極小區(qū)域內(nèi)。當(dāng)外界光照強(qiáng)度與溫度發(fā)生明顯改變時，系統(tǒng)會進(jìn)行再次尋優(yōu)。
    從圖2可知，改變脈寬調(diào)制信號(Pulse Width Modulation，PWM)的占空比D，實質(zhì)上是改變了光伏電池的負(fù)載。也即使光伏電池的輸出功率點發(fā)生改變，從而達(dá)到尋找最大功率點的目的。

    光伏電池的負(fù)載RL與負(fù)載R和占空比D的關(guān)系式為：
    RL=R／D
    MPPT控制器通過調(diào)整PWwM信號的占空比D，來改變光伏電池的負(fù)載，從而實現(xiàn)阻抗匹配的功能。因而，占空比D的大小決定了光伏電池輸出功率P的大小，一般光伏逆變器的P-D關(guān)系如圖3所示。

    國內(nèi)外的一些光伏發(fā)電系統(tǒng)對光伏電池的最大功率跟蹤控制，一般提出過多種方法，如定電壓跟蹤法、擾動觀察法、功率回授法和增量電導(dǎo)法等，這些算法的不足在于：未說清從一個最大功率點怎樣跟蹤到下一個最大功率點；計算量很大，實現(xiàn)較困難；控制精度差，受外在影響大。本文提出的設(shè)計方案進(jìn)行最大功率點跟蹤，可彌補以上不足之處。

3 模糊控制器設(shè)計
    在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，使用模糊邏輯對系統(tǒng)的輸入和輸出進(jìn)行設(shè)計，可以得出一系列控制規(guī)則，可以由微機(jī)十分簡明地實現(xiàn)。
3．1 確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)
    MPPT控制設(shè)計，其關(guān)鍵是模糊控制器的設(shè)計。選用雙輸入單輸出模糊控制器，如圖4所示。

    模糊控制器的第n時刻輸入量，為第n時刻的功率變化量△P(n)和功率變化率；第n時刻的輸出量為第n+1時刻的占空比改變量△D(n+1)，大小在[0，1]間變化。其中功率變化量△P(n)=P(n)-P(n-1)，功率變化率用△P(n)／△D(n)代替計算。
3．2 確定輸入、輸出量模糊子集及論域
    △P(n)的模糊集為E，△P(n)／△D(n)的模糊集為EC，△D(n)的模糊集為U。
    將語言變量E和U，定義為7個模糊子集，EC定義為6個模糊子集，即：

   
    其中：NB，NM，NS，NO，ZO，PO，PS，PM，PB分別表示負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，負(fù)零，零，正零正小，正中，正大等模糊概念。將E，U的論域規(guī)定為15個等級，將EC的論域規(guī)定為12個等級，即：

3．3 確定隸屬函數(shù)
    模糊子集的隸屬函數(shù)形狀較尖，反映模糊集合具有高分辨率特性較高的靈敏度。
    故本文選擇三角形作為隸屬函數(shù)的形狀，E和EC的隸屬函數(shù)見圖5和圖6，U的隸屬函數(shù)如圖7所示。

3．4 確定模糊控制規(guī)則
    根據(jù)功率值的變化量，來決定這一時刻的占空比改變量。通過對光伏電池輸出功率P與占空比D之間的特性曲線分析，并且考慮到外界環(huán)境因素(溫度、日照強(qiáng)度)對光伏電池輸出功率的影響得到以下原則：
    (1)若輸出功率增加，則繼續(xù)原來改變量調(diào)整方向，否則取相反方向；
    (2)離最大功率點較遠(yuǎn)處，采用較大改變量以加快跟蹤速度；離最大功率點附近，采用較小改變量進(jìn)行搜索以減小搜索損失；
    (3)當(dāng)達(dá)到以最大功率點為中心的極小的ZO區(qū)域時，系統(tǒng)穩(wěn)定下來，直至外界環(huán)境再次發(fā)生明顯變化。
    (4)當(dāng)溫度、日照強(qiáng)度等因素發(fā)生變化導(dǎo)致光伏電池輸出功率發(fā)生明顯變化時，系統(tǒng)能夠作出快速的反應(yīng)，進(jìn)行再次尋優(yōu)。
    遵循上述原則，并對實際仿真結(jié)果進(jìn)行調(diào)整得到最終控制規(guī)則表，如表1所示。

3．5 解模糊方法與仿真
    模糊邏輯控制器仿真選擇Mamdani型控制器，解模糊方法為重心法，其計算式為：

   
式中：u(Ai)為第i個模糊輸出量的隸屬度；A為第i個模糊輸出量。
    經(jīng)過試驗仿真，結(jié)果如圖8所示。經(jīng)過MPPT模糊控制占空比時，它能夠迅速地跟蹤到最大功率點。由此可得，模糊控制能夠有效地克服光伏電池的非線性和時滯性，能夠快速地跟蹤到最大功率點，并保持在此狀態(tài)。

4 結(jié) 語
    仿真發(fā)現(xiàn)，將模糊邏輯控制應(yīng)用于光伏電池最大功率點的跟蹤不僅跟蹤迅速，而且反應(yīng)靈敏，且通過模糊控制表可以實現(xiàn)離線設(shè)計，節(jié)省了微機(jī)的內(nèi)部存儲空間，提高了工作速度。