基于模糊控制的光伏電池MPPT控制研究

魏毅立 王源

摘要：太陽能光伏電池是光伏發(fā)電的主要部件，根據(jù)等效電路圖推導得出其數(shù)學模型，并利用MATLAB/Simulink仿真軟件搭建仿真模型，在不同光照及溫度下得出其相應的光伏特性曲線。同時對最大功率點跟蹤（MPPT， maximum power point tracking）控制進行分析，提出了一種新的模糊控制建模方法，并與常規(guī)的擾動觀察法和電導增量法進行了仿真比較。經(jīng)過仿真表明，這種新的模糊控制方法具有更快的跟蹤速度，更好的平滑性和抗干擾性。

關鍵詞：光伏電池;最大功率點跟蹤;模糊控制;擾動觀察法;電導增量法

中圖分類號：TP273? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）26-0027-04

Abstract： Solar photovoltaic cell is the core of photovoltaic power generation， and its mathematical model can be deduced according to the equivalent circuit diagram， and the simulation model can be established by MATLAB/Simulink simulation software， and the corresponding photovoltaic characteristic curve can be obtained under different lighting and temperature. At the same time， a new fuzzy control modeling method is proposed based on the analysis of MPPT control， which is compared with the traditional perturbation observation method and conductance increment method. Simulation results show that this new fuzzy control method has faster-tracking speed， better smoothness and anti-interference.

Key words： photovoltaic cell; maximum power point tracking; fuzzy control; perturbation and observation; incremental conductance method

1引言

由于科學技術的不斷發(fā)展，整個人類社會對電能的依賴越來越大，再加上傳統(tǒng)化石能源的日益減少，環(huán)境污染的加重，太陽能、風能等新能源發(fā)電占比不斷增加。目前，我國的光伏發(fā)電裝機容量連續(xù)幾年快速增長，截至2019年9月底已達到190190MW[1]。

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池的輸出特性不僅與它的構成材料有關，而且還受到光照強度、溫度和其他外在環(huán)境因素的影響，能否使發(fā)電效率穩(wěn)定在最大功率點（MPP， maximum power point）處是整個發(fā)電系統(tǒng)的關鍵所在，目前常用的方法有擾動觀察法、電導增量法、滑模控制法、模糊控制法等[2]。不同的控制方法其控制策略和效果也不同，根據(jù)不同的控制策略在Simulink中建立相應的模型進行仿真比較，得出不同的控制效果。同時也證明了提出這種新的模糊控制方法的可行性。

2光伏發(fā)電的數(shù)學模型與特性

光伏發(fā)電是利用光電效應將太陽能轉化為電能的發(fā)電系統(tǒng)，其具有可靠性高、清潔、可并網(wǎng)等優(yōu)點受到各國的青睞。光伏電池的結構類似于PN結，當有光照時就會產(chǎn)生電壓，根據(jù)相關原理可得光伏電池的等效電路，如圖1所示。

3 最大功率跟蹤控制原理

根據(jù)圖2和圖3可知，在不同光照及不同溫度下的P-V曲線都有一個MPP，為了使發(fā)電輸出功率達到最大值，可以通過MPPT控制使系統(tǒng)發(fā)電處于最大功率點處[5]。目前，大多數(shù)的方法是通過改變占空比來控制DC/DC變換電路，使不同環(huán)境下的輸出功率穩(wěn)定在MPP處[6，7]，其控制簡圖如圖4。圖5為光伏系統(tǒng)MPPT控制的仿真模型，主要由光伏電池模塊、DC/DC變換電路、MPPT控制模塊和PWM模塊組成，當電壓電流檢測電路檢測到光伏電池的輸出電壓和電流時，送到MPPT模塊，經(jīng)過MPPT控制器進行尋優(yōu)輸出，并作為PWM模塊的輸入，使PWM調(diào)節(jié)DC/DC電路開關器件的占空比，從而使光伏電池穩(wěn)定在最大功率輸出狀態(tài)。

4幾種MPPT算法

4.1 擾動觀察法

擾動觀察法的原理是故意對電壓進行擾動，然后根據(jù)擾動前后功率的增減情況來對系統(tǒng)進行控制，若功率增加，則繼續(xù)施加同向擾動，若功率降低，則施加反向擾動，采用這種方法有一個弊端，就是在穩(wěn)態(tài)時也會對電壓進行增減擾動，從而造成了在穩(wěn)態(tài)也會在MPP處振蕩，這就造成了能量的損耗[8]。圖6是這種方法的仿真模型。

4.2 電導增量法

電導增量法是根據(jù)電導[（GG=IPV/VPV）]和電導增量[（ΔGG=dIPV/dVPV）]的比較結果對電壓進行增減，使系統(tǒng)工作在MPP處，在MPP處功率導數(shù)為0，即[dPPV/dVPV=0]，這種方法的實現(xiàn)比較復雜對硬件要求也高[8-10]。圖7給出這種方法的仿真模型。

4.3 模糊控制法

近年來，模糊控制法在MPPT控制中得到大量應用，都是以光伏電池的特性為依據(jù)，通過相應的規(guī)則來建立模糊控制器，從而來控制Boost電路的PWM占空比，達到MPPT控制[10]。各國學者建立模糊控制器的方法也有多種，文獻[11]是以[ΔPPV]和[ΔVPV]作為模糊控制器的輸入，文獻[12]是以[dVPV/dIPV]和[Δ（dVPV/dIPV）]作為模糊控制器的輸入，這些文獻中使用的解模糊化方法都是重心法。為了達到更快的跟蹤速度以及更好的平滑性，提出了一種新的模糊控制方法，以[dPPV/dVPV]和[Δ（dPPV/dVPV）]為輸入，用最大隸屬度平均法“mom”解模糊化，圖8給出了模糊控制的Simulink仿真圖。