基于占空比模糊控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT技術(shù)

摘要：為了有效地利用太陽能，有必要對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行最大功率點跟蹤(MPPT)控制研究。文中以兩級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，建立了任意外界環(huán)境下的光伏陣列數(shù)學模型。由于光伏陣列的非線性輸出特性，將模糊控制思想引入最大功率點跟蹤，提出占空比模糊控制的擾動觀察法的MPPT控制策略，并通過計算機進行仿真驗證。與傳統(tǒng)的占空比擾動觀察法相比較，該方法能夠更加快速、準確地跟蹤上太陽能電池的最大功率點。
關(guān)鍵詞：最大功率點跟蹤；模糊控制；太陽能；光伏發(fā)電系統(tǒng)

    太陽能作為一種巨量的可再生能源，是近期急需的能源補充，又是未來能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，開發(fā)利用太陽能具有重大的戰(zhàn)略意義。所有光伏發(fā)電系統(tǒng)都希望太陽能光伏陣列在同樣日照、溫度的條件下盡可能大的輸出電能，因此在理論和實踐上提出了太陽能光伏陣列的最大功率點跟蹤(MPPT)問題。
    目前實現(xiàn)MPPT的方法有恒定電壓(CVT)法，擾動觀察(P&O)法及增量電導(INC)法等。文中研究光伏發(fā)電系統(tǒng)中的MPPT問題，基于模糊控制理論，即利用模糊集合的基本概念和連續(xù)隸屬度函數(shù)的理論，提出了占空比模糊控制干擾觀察法。通過MATLAB／Simulink建模仿真，實現(xiàn)在任意外界環(huán)境下最大功率點的跟蹤，并與非模糊控制的占空比干擾觀察法相比較，結(jié)果表明該方法在快速性和穩(wěn)定性方面取得了更好的效果。

1 光伏電池的數(shù)學建模
    光伏電池模型通常要求僅采用廠家提供標準條件(光照強度Sref=1000W／m2，電池溫度Tref=25℃)下的光伏電池板測試參數(shù)Isc、Uoc、Im、Um，并且要在滿足工程精度的情況下盡可能地簡化模型。
    簡化的光伏電池的數(shù)學模型為：
   
    式中，Isc為標準條件下光伏電池的短路電流；Uoc為標準條件下光伏電池的開路電壓；Im為標準條件下光伏電池的最大功率點電流；Um為標準條件下光伏電池的最大功率點電壓。因此，只要知道這4個參數(shù)，就可以得到在標準條件下的光伏電池I—V特性曲線。
    假定光伏電池特性曲線基本形狀不變，根據(jù)標準條件下的Isc、Uoc、Im、Um和任意的光照強度、環(huán)境溫度等參數(shù)，可以計算出任意外部環(huán)境下的Isc’、Uoc’、Im’和Um’，得到光伏電池模型：
   


2 占空比模糊控制實現(xiàn)MPPT
2．1 算法原理
    基于占空比擾動觀察法原理，目標量為：光伏陣列的輸出功率P；控制量為：Boost電路的占空比D。
    根據(jù)功率值變化量△P(n)=P(n)-P(n-1)和n-1時刻的占空比調(diào)整步長△D(n-1)，決定當前時刻的調(diào)整步長大小△D(n)。光伏發(fā)電系統(tǒng)的模糊控制原理圖如圖1所示。

    圖1中，輸入△P(n)表示第n時刻與前一時刻輸出功率差的實際值，△p(n)表示△P(n)對應(yīng)于模糊集論域中的值；輸入△D(n-1)表示第n-1時刻占空比D調(diào)整步長的實際值，△d(n-1)表示△D(n-1)對應(yīng)于模糊集論域中的值。輸出△D(n)表示第n時刻占空比D調(diào)整步長的實際值，△d(n)表示△D(n)對應(yīng)于模糊集論域中的值；D(n-1)表示第n-1時刻占空比的實際值，D(n)表示第n時刻占空比的實際值．e-Ts為一個單位延遲環(huán)節(jié)，Ke、Ka分別表示功率差和調(diào)整步長的量化因子。
    在每一次尋優(yōu)周期開始時，采樣當前時刻的輸出功率值P(n)和前一時刻調(diào)整步長△D(n-1)，計算當前時刻P(n)和前一時刻P(n-1)的差值△P(n)，并對△P(n)和△D(n-1)進行量化，得到模糊集論域中的變量△p(n)和△d(n-1)，將其作為模糊控制器的輸入，通過模糊推理得到當前時刻的調(diào)整步長△d(n)，經(jīng)重心法反模糊化后，得到控制量占空比調(diào)整步長△D(n)的實際值，再與當前時刻的占空比D(n-1)相加得到下一時刻的占空比D(n)，調(diào)整光伏陣列的輸出電壓和功率，然后就進入下一次的尋優(yōu)周期。不斷重復(fù)上述過程，直到輸出功率差△P(n)達到精度要求，即，到達了光伏系統(tǒng)的最大功率點。
2．2 算法實現(xiàn)
2．2．1 確定輸入和輸出變量的模糊子集及論域
    將語言變量分別定義為8個和6個模糊子集，即△p={NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}；△d={NB，NM，NS，PS，PM，PB}。其中：NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB分別表示負大，負中，負小，負零，正零，正小，正中，正大等模糊概念。并將論域規(guī)定為13個等級，即：△p={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}；△d={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}。
2．2．2 確定隸屬函數(shù)
    選擇常用的三角形隸屬函數(shù)，占空比調(diào)整步長△d和功率差△p的隸屬度函數(shù)分別如圖2所示。

2．2．3 模糊決策表
    根據(jù)占空比擾動觀察法的原理，當前時刻的占空比調(diào)整步長△D(n)是由功率差△P和前一時刻的占空比調(diào)整步長△D(n-1)的變化量決定的。依據(jù)光伏陣列P-V特性曲線的分析，并考慮外界環(huán)境因素對光伏陣列輸出特性的影響，得到以下調(diào)整占空比步長△D(n-1)的原則：
    1)如果輸出功率增加了，則繼續(xù)按原來步長方向調(diào)整，否則，向相反方向調(diào)整；
    2)在最大功率點附近時，采用較小的調(diào)整步長，減少跟蹤時的功率損失；離最大功率點較遠時，采用較大的調(diào)整步長，以加快跟蹤速度。
    3)當溫度和光照強度等外界因素突然變化使得光伏陣列的輸出功率發(fā)生較大變化時，系統(tǒng)能迅速地作出反應(yīng)。
    遵循上述原則，應(yīng)用If A and B then C的模糊規(guī)則，模糊規(guī)則表如表1所示。

2．2．4 反糊方法
    在模糊控制編輯器中，模糊推理采用成熟且容易成功實現(xiàn)的Mamdani推理法，“交”方法為min，“并”方法為max，推理方法為min，聚類方法為max，反模糊方法選擇具有較高精度的重心法，如圖3所示。

3 仿真分析
    外界環(huán)境條件為：光照強度S=1 000 W／m2，環(huán)境溫度T=25℃。負載阻值R=50 Ω。量化因子：Ka=0．005，Ke=2．0。采用固定步長為0．001，仿真器設(shè)置為ode3，運行時間為1 s。得到功率P和占空比D變化波形如圖4所示。

    從圖4(a)的輸出功率仿真波形可以得知：在Pm=157．3W，Dm=0．638，t=0．039 s左右，光伏陣列就工作在最大功率點，實現(xiàn)了最大功率點跟蹤，并且功率波形平衡光滑，幾乎沒有振蕩。仿真結(jié)果表明了模糊控制方法可以使光伏系統(tǒng)快速平穩(wěn)地跟蹤到最大功率點。
    模擬外界環(huán)境變化，光照強度在1 s時由800 W／m2變?yōu)? 000 W／m2，環(huán)境溫度在2 s時由25℃變?yōu)?℃，仿真時間為3 s，其他仿真參數(shù)設(shè)置不變，仿真得到的功率和占空比波形如圖5所示；圖6為相同外界條件下，非模糊控制占空比擾動觀察法功率和占空比的輸出波形。

    由圖5和圖6可以看出，當光照強度為1 000 W／m2，環(huán)境溫度為25℃時，采用模糊控制法，系統(tǒng)在0．18 s就跟蹤上了最大功率點，達到了穩(wěn)定，而采用非模糊控制，系統(tǒng)在0．55 s才跟蹤上最大功率點；當外界環(huán)境發(fā)生變化時，模糊控制法能夠快速跟蹤到新的最大功率點，波形到達穩(wěn)態(tài)，沒有劇烈振蕩，而非模糊控制法達到穩(wěn)定時出現(xiàn)了劇烈的振蕩。通過比較可以得出采用模糊控制的干擾觀察法可以獲得更好的
性能。

4 結(jié) 論
    鑒于光伏電池的非線性特性，針對光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT問題提出了將模糊控制思想應(yīng)用到最大功率跟蹤的控制中，建立了一種基于擾動觀察法的模糊控制策略的模型，該模型不需要精確的內(nèi)部電路特性和相關(guān)參數(shù)，就可以實現(xiàn)光伏陣列的大功率點跟蹤，通過仿真驗證了該控制算法在快速性和穩(wěn)定性方面具有更優(yōu)的控制性能。