基于模糊控制的光伏系統MPPT仿真研究

蔡慶春 馮 翔

?

基于模糊控制的光伏系統MPPT仿真研究

蔡慶春 馮 翔

本文在模擬太陽能光伏陣列輸出特性和建立仿真模型的基礎上，研究最大功率點跟蹤的原理和方法，提出了基于模糊控制理論的跟蹤算法，并在Matlab中進行了仿真，仿真結果表明該控制策略具有優良的動態和穩態性能。

太陽能作為21世紀最理想的能源之一，備受人們青睞。光伏發電技術雖然前景廣闊，但是由于光伏電池本身非線性的特點，如何提高光伏系統的轉換效率仍亟待解決。為了使光伏發電系統在同樣日照、溫度的條件下輸出更多的電能，本文提出了最大功率點跟蹤（MPPT）的問題。

傳統的MPPT算法存在跟蹤緩慢、效率低下、浪費嚴重的問題，針對這些問題，采用了模糊控制技術進行最大功率點跟蹤。模糊控制良好的魯棒性和實時性特別適合光伏系統這種時變、非線性系統的復雜系統。

光伏特性

光伏電池在任意太陽輻射照度下的輸出特性方程為：

公式（1）中，Iph是光生電流，值等于短路電流Isc；I0是二極管反向飽和電流；q 是電子的電荷量，值為1.6029× 10-19C；K是波爾茲曼系數，k=1.3819× 10-23J/K ；A是二極管理想因素；Tj為光伏電池模塊的結溫；Id為二極管內部電流；Vpv光伏電池模塊的電壓。

一般取

功率Ppv的表達式為：

本文基于上述的數學模型，并利用Matlab的Simulink組件，建立了光伏陣列的通用仿真模塊。仿真主要考慮到光照強度的影響，根據仿真結果可以得到不同光照強度下P-V特性曲線，與實際所測相吻合。

為了最大限度的讓電池輸出最大功率，使其發揮最大的效率，需要不斷根據光照、環境溫度等外部特性來調整光伏電池的輸出工作點，使其始終工作在最大功率點附近，這種控制策略稱之為最大功率點跟蹤技術（MPPT）。

模糊控制器的設計

模糊控制的原理

圖1　不同光照下P－V特性曲線（T=25℃）

模糊控制是基于模糊集合理論、模糊邏輯、模糊推理和模糊控制的一種算法結構及計算機數字控制技術。它以被控對象的輸出偏差ec與偏差變化率為輸入變量，被控量為輸出變量，通過模糊邏輯推理得到控制變量的模糊集，再經過模糊判決得出輸出控制的精確量來調節被控對象，使被控過程達到預期的控制效果。模糊控制器設計是模糊控制的核心，其設計關鍵是確定好模糊規則，制定出模糊控制規則表，模糊控制規則表是根據專家或者操作者通過控制實踐總結出來的一系列規則列表。

模糊控制器的設計

輸入/輸出量的確定

由光伏電池的功率曲線可知，系統存在唯一的最大功率點，此時有dPpv/dUpv=0。把dPpv/dUpv作為模糊控制器的偏差輸入E（n），把dPpv/dUpv的變化率作為模糊控制器的偏差變化率輸入CE（n）。輸出為Boost調節電路占空比D（n），通過實時檢測輸出功率與電壓的數據來追蹤控制最大功率點。

論域范圍及運算規則

模糊子集的定義有：

E（n）與CE（n）設定為｛NL NA NS ZE PS PA PL｝，含有七個模糊變量描述其大小的模糊子集，D（n）設定為｛NL NA NS ZE PS PA PL｝，含有七個模糊變量描述占空比整定步長的模糊子集。表示的含義分別為負大，負中，負小，零，正小，正中，正大。

論域規定：E（n）為｛-1 1｝，CE（n）為｛-10 10｝，D（n）為｛0.1 0.7｝。

模糊推理方法采用常用的馬達尼法。解模糊采用比較常用的質心法。

模糊控制規則

通過考慮外界環境因素對光伏電池輸出功率的影響，可得出如下結論：

（l）當E（n）<0且CE（n）<0時，工作點位于Pmax的右邊，且正在遠離Pmax；

（2）當E（n）<0且CE（n）>0時，工作點位于Pmax的右邊，且正在向Pmax靠近；

（3）當E（n）>0且CE（n）<0時，工作點位于Pmax的左邊，且正在向Pmax靠近；

（4）當E（n）>0且CE（n）>0時，工作點位于Pmax的左邊，且正在遠離Pmax。

模糊控制規則的設定主要根據以上四條結論，使E（n）始終向零的方向靠近，達到最大功率輸出。依據上述原理，在距離最大功率點拐點較遠時采用較大的調節步長，反之則采用較小的調節步長進行對BOOST升壓電路的MOSFET管的占空比進行調節，完成對光伏電池系統的MPPT控制。

圖2　光照G從400W/m 2躍遷到600W/m 2時的功率P輸出波形

得到的控制規則表如表1所示。

表1　模糊控制規則表

系統的建模與仿真

仿真時采用固定步長為0.00001s，仿真時間為0.05s，仿真算法為ode8（Dormand prince），E（n）量化因子為25到28，CE（n）量化因子為100到110。在Matlab中搭建Boost電路進行了算法模塊的驗證。通過改變光照強度得到了如下的曲線。

綜上所述，模糊控制算法可以使光伏電池迅速到達最大功率點，并在最大功率點穩定工作。當光照條件改變時，光伏電池也能迅速跟蹤并穩定在最大功率點。由此可得，模糊控制能夠有效地改善光伏電池的滯后性和非線性。

結語

本文分析了光伏電池和MPPT技術的原理，并采用了模糊控制算法對光伏發電系統進行了仿真。當環境條件發生變化時，通過控制占空比使系統穩定工作在最大功率點。仿真實驗表明：無論在響應時間、穩定性、魯棒性上模糊控制均表現出極佳的性能，應用前景良好。

蔡慶春 馮 翔

沈陽化工大學信息工程學院

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.001