基于模糊策略的光伏發(fā)電MPPT控制技術(shù)

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源問題日益尖銳，越來越多的國(guó)家開始關(guān)注能源利用及轉(zhuǎn)換效率的問題。光伏發(fā)電具有無污染、無噪音、取之不盡、用之不竭等優(yōu)點(diǎn)，因而越來越受關(guān)注。但是由于光伏系統(tǒng)本身非線性和光電池制造工藝復(fù)雜的特點(diǎn)，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)換效率一般為14％～15％。為了讓太陽能電池陣列在同樣日照、溫度的條件下輸出更多的電能，提出了最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)問題。

　　MPPT本質(zhì)上是一個(gè)尋優(yōu)過程。通過測(cè)量電壓、電流和功率，以及比較它們之間的變化關(guān)系，決定當(dāng)前工作點(diǎn)與峰值點(diǎn)的位置關(guān)系，然后控制電流(或電壓)向當(dāng)前工作點(diǎn)與峰值功率點(diǎn)移動(dòng)，最后控制電流(或電壓)在峰值功率點(diǎn)附近一定范圍內(nèi)來回?cái)[動(dòng)。模糊控制適應(yīng)性強(qiáng)，魯棒性好，作為一種新的控制思想，非常適合用在對(duì)于太陽能光伏發(fā)電這種包含許多不確定量，而且很難用精確的數(shù)學(xué)模型描述出來的系統(tǒng)。

　　1 光伏特性

　　光伏電池相當(dāng)于具有與受光面平行的極薄PN截面的大面積等效二極管，其等效電路如圖1所示。

　　在圖1中，I為太陽能電池輸出電流；Id為二極管工作電流；Irsh為漏電流；ILG為led/'''' target=''''_blank''''>光電池電流源；Rsh為光伏電池的并聯(lián)等效電阻；Rs為光伏電池的串聯(lián)等效電阻。由圖1得到光伏電池的輸出特性方程為：

　　式中：

　　前式表明，并聯(lián)電阻Rsh越大，越不會(huì)影響短路電流的數(shù)值。所以設(shè)計(jì)中可忽略Rsh，而得到簡(jiǎn)化的光伏電池輸出特性方程：

　　式(1)～式(4)中：I為光伏電池輸出電流；V為光伏電池輸出電壓；Ios為光伏電池暗飽和電流T為光伏電池的表面溫度；K為波爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23J／K)；λ為日照強(qiáng)度；q為單位電荷(1.6×10-19C)；k1為短路電流的溫度系數(shù)；ISCR為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(光伏電池溫度25℃，日照強(qiáng)度為1 000 W／m2)下，光伏電池的短路電流；ILG為光電流；EGO為半導(dǎo)體材料的禁帶寬度；Tr為參考溫度(301.18 K)；Ior為Tr下的暗飽和電流；A，B為理想因子，一般介于1和2之間。

　　隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源問題日益尖銳，越來越多的國(guó)家開始關(guān)注能源利用及轉(zhuǎn)換效率的問題。光伏發(fā)電具有無污染、無噪音、取之不盡、用之不竭等優(yōu)點(diǎn)，因而越來越受關(guān)注。但是由于光伏系統(tǒng)本身非線性和光電池制造工藝復(fù)雜的特點(diǎn)，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)換效率一般為14％～15％。為了讓太陽能電池陣列在同樣日照、溫度的條件下輸出更多的電能，提出了最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)問題。

　　MPPT本質(zhì)上是一個(gè)尋優(yōu)過程。通過測(cè)量電壓、電流和功率，以及比較它們之間的變化關(guān)系，決定當(dāng)前工作點(diǎn)與峰值點(diǎn)的位置關(guān)系，然后控制電流(或電壓)向當(dāng)前工作點(diǎn)與峰值功率點(diǎn)移動(dòng)，最后控制電流(或電壓)在峰值功率點(diǎn)附近一定范圍內(nèi)來回?cái)[動(dòng)。模糊控制適應(yīng)性強(qiáng)，魯棒性好，作為一種新的控制思想，非常適合用在對(duì)于太陽能光伏發(fā)電這種包含許多不確定量，而且很難用精確的數(shù)學(xué)模型描述出來的系統(tǒng)。

　　1 光伏特性

　　光伏電池相當(dāng)于具有與受光面平行的極薄PN截面的大面積等效二極管，其等效電路如圖1所示。

　　在圖1中，I為太陽能電池輸出電流；Id為二極管工作電流；Irsh為漏電流；ILG為led/'''' target=''''_blank''''>光電池電流源；Rsh為光伏電池的并聯(lián)等效電阻；Rs為光伏電池的串聯(lián)等效電阻。由圖1得到光伏電池的輸出特性方程為：

　　式中：

　　前式表明，并聯(lián)電阻Rsh越大，越不會(huì)影響短路電流的數(shù)值。所以設(shè)計(jì)中可忽略Rsh，而得到簡(jiǎn)化的光伏電池輸出特性方程：

　　式(1)～式(4)中：I為光伏電池輸出電流；V為光伏電池輸出電壓；Ios為光伏電池暗飽和電流T為光伏電池的表面溫度；K為波爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23J／K)；λ為日照強(qiáng)度；q為單位電荷(1.6×10-19C)；k1為短路電流的溫度系數(shù)；ISCR為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(光伏電池溫度25℃，日照強(qiáng)度為1 000 W／m2)下，光伏電池的短路電流；ILG為光電流；EGO為半導(dǎo)體材料的禁帶寬度；Tr為參考溫度(301.18 K)；Ior為Tr下的暗飽和電流；A，B為理想因子，一般介于1和2之間。

　　當(dāng)負(fù)載RL從0變化到無窮大時(shí)，即可得到如圖2所示太陽能電池的輸出特性曲線。調(diào)節(jié)負(fù)載電阻RL到某一值Rm時(shí)，在曲線上得到一點(diǎn)M，其對(duì)應(yīng)的工作電壓和工作電流之積最大，即Pm=ImVm。現(xiàn)將此M點(diǎn)定義為最大功率輸出點(diǎn)(MPP)。

　　2光伏系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤

　　在光伏系統(tǒng)中，通常要求光伏電池的輸出功率保持在最大，也就是讓光伏電池工作在最大功率點(diǎn)，從而提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。MPPT就是一個(gè)不斷測(cè)量和不斷調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)的過程，它不需要知道光伏陣列精確的數(shù)學(xué)模型，而是在運(yùn)行過程中不斷改變可控參數(shù)的整定值，使得當(dāng)前工作點(diǎn)逐漸向峰值功率點(diǎn)靠近，使光伏系統(tǒng)運(yùn)作在峰值功率點(diǎn)附近。

　　對(duì)于電阻型負(fù)載，其負(fù)載線與I-V曲線的交叉點(diǎn)決定了光伏電池的工作點(diǎn)。不同的負(fù)載RL決定了不同的工作點(diǎn)。因此在不同溫度、日照強(qiáng)度條件下，當(dāng)最大功率點(diǎn)發(fā)生漂移時(shí)，可通過調(diào)整負(fù)載使光伏電池重新工作在最大功率點(diǎn)處。關(guān)于光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤算法，先前許多文獻(xiàn)已提出過多種方法，如電壓回授法、擾動(dòng)觀察法、功率回授法、直線近似法、實(shí)際測(cè)量法和增量電導(dǎo)法。

　　然而，在光伏組件環(huán)境變化復(fù)雜的情況下，這些方法不能即時(shí)追蹤，迅速反應(yīng)。常規(guī)方法只能收斂到局部最高運(yùn)行點(diǎn)，卻不是P-V曲線的真正最高點(diǎn)。于是提出了占空比擾動(dòng)法。圖3為一般光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，MPPT控制器通過調(diào)整PWM信號(hào)的占空比D，來調(diào)節(jié)輸入／輸出關(guān)系，從而達(dá)到阻抗匹配的功能。[!--empirenews.page--]

　　3基于模糊控制的MPPT實(shí)現(xiàn)

　　3.1模糊控制基本原理

　　模糊控制建立的基礎(chǔ)是模糊邏輯，它比傳統(tǒng)的邏輯系統(tǒng)更接近于人類的思維和語言表達(dá)方式。在一些復(fù)雜系統(tǒng)，特別是系統(tǒng)存在定性的不精確和不確定信息的情況下，模糊控制的效果常優(yōu)于常規(guī)控制。模糊控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　模糊控制系統(tǒng)一般按輸出誤差和誤差的變化對(duì)過程控制進(jìn)行控制，其首先將實(shí)際測(cè)量的精確量誤差e和誤差變化Δe經(jīng)過模糊處理而變換成模糊量，在采樣時(shí)刻k，定義誤差和誤差變化為：

　　式中：yr和yk分別表示設(shè)定值和k時(shí)刻的過程輸出；ek為k時(shí)刻的輸出誤差。用這些量來計(jì)算模糊控制規(guī)則，然后又變換成精確量對(duì)過程進(jìn)行控制。

　　3.2模糊控制器的設(shè)計(jì)

　　模糊邏輯控制器的設(shè)計(jì)主要包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：

　　(1)確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量；

　　(2)歸納和總結(jié)模糊控制器的控制規(guī)則；

　　(3)確定模糊化和反模糊化的方法；

　　(4)選擇論域并確定有關(guān)參數(shù)。

　　模糊化的設(shè)計(jì)，其解答往往不是惟一的，在很大程度上要運(yùn)用啟發(fā)式試探方法以求取得最佳的選擇。對(duì)于初始設(shè)計(jì)可先模擬，若控制性能達(dá)不到要求，則需要重新確定隸屬函數(shù)，有時(shí)甚至要重新確定輸入／輸出量。

　　3.2.1輸入／輸出量模糊子集及論域

　　模糊系統(tǒng)的輸入輸出變量有輸入功率變化量E；輸入上次步長(zhǎng)量A(n-1)；輸出步長(zhǎng)量A(n)。將語言變量E和A分別定義為8個(gè)和6個(gè)模糊子集，即：

　　E={NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB)

　　A={NB，NM，NS，PS，PM，PB}

　　式中：NB，NM，Ns，NO，PO，PS，PM，PB分別表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)零、正零、正小、正中、正大等模糊概念，并且它們的論域規(guī)定為14個(gè)和12個(gè)等級(jí)，即：

　　E={-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，+1，+2，+3，+4，+5，+6)

　　A={-6，-5，-4，-3，-2，-1，+1，+2，+3，+4，+5，+6}

　　3.2.2 MPPT的模糊控制算法

　　圖5中e(n)表示第n時(shí)刻與第n-1時(shí)刻輸出功率之差的實(shí)際值；E(n)表示這個(gè)差值對(duì)應(yīng)于模糊集論域中的值；a(n)表示第n時(shí)刻步長(zhǎng)的實(shí)際值；A(n)表示這個(gè)步長(zhǎng)值對(duì)應(yīng)于模糊集論域中的值；Ke，Ka分別為量化因子。

　　通過對(duì)光伏電池輸出P與占空比D之間的特性曲線分析，并且考慮到外界環(huán)境因素對(duì)光伏電池輸出功率的影響，對(duì)實(shí)際仿真結(jié)果進(jìn)行調(diào)整得到的最終控制規(guī)則如表1所示。[!--empirenews.page--]

　　4系統(tǒng)建模與仿真

　　Matlab的模糊邏輯工具箱拓展了Matlab對(duì)模糊邏輯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，已經(jīng)成為運(yùn)用模糊手段解決工程問題的重要工具。在此結(jié)合Matlab7.1中的模糊邏輯工具箱進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。模糊邏輯工具箱在默認(rèn)狀態(tài)下給出了mamdani型控制器，選擇“交”方法為min；“并”方法為max；推理方法為min；聚類方法為max；解模糊方法為重心法。圖6為模糊邏輯工具箱界面。

　　模糊控制器設(shè)計(jì)完畢后，利用Simulink搭建光伏電池模型，如圖7所示。

　　其次搭建MPPT模糊控制系統(tǒng)如圖8所示。

　　圖中，subsystem為光伏電池模型；S函數(shù)只實(shí)現(xiàn)D(n)=D(n-1)+a(n)的功能。其中，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，量化因子Ka取0.01；Ke取10。模擬外界因素強(qiáng)度從600 W／m2突然增大到900 W／m2，表面溫度T=25℃，并設(shè)置仿真最大步長(zhǎng)時(shí)間為0.025 s，運(yùn)行時(shí)間為10 s。由此得到輸出功率波形如圖9所示。

　　圖10為擾動(dòng)觀察法輸出功率的跟蹤波形。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，采用模糊邏輯控制跟蹤光伏電池最大功率點(diǎn)，不僅跟蹤迅速，而且達(dá)到最大功率點(diǎn)后基本沒有波動(dòng)，即具有良好的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能。

　　5結(jié)語

　　在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤時(shí)，根據(jù)跟蹤情況和電池表面溫度、日照強(qiáng)度等外界因素的變化，利用模糊控制來智能地調(diào)整步長(zhǎng)。

　　運(yùn)用Simulink建立模型并進(jìn)行仿真，其結(jié)果表明，將模糊控制運(yùn)用于最大功率跟蹤是可行的，并且表現(xiàn)出良好的控制性能。