基于模糊控制的光伏電池MPPT的設(shè)計(jì)

0 引 言

隨著全球能源緊張問(wèn)題的日益嚴(yán)重，再生能源正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，光伏能源以其具有無(wú)污染，可長(zhǎng)期使用等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)踐上提出了光伏電池陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power。Point Tracking，MPPT)問(wèn)題。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中由于陣列的功率等級(jí)一般較大，因此MPPT問(wèn)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(lái)對(duì)非線性的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制，無(wú)疑是一個(gè)很好的選擇。

1 光伏電池的最大功率點(diǎn)

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(gè)最大的功率輸出點(diǎn)Pm，如果可以使光伏電池時(shí)工作在最大功率點(diǎn)，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(diǎn)，即尋優(yōu)。


2 MPPT控制的原理與設(shè)計(jì)

MPPT控制的原理實(shí)質(zhì)上是一個(gè)動(dòng)態(tài)自尋優(yōu)過(guò)程，通過(guò)對(duì)光伏電池當(dāng)前輸出電壓與電流的檢測(cè)，得到當(dāng)前電池輸出功率，將其與前一時(shí)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(diǎn)不斷靠近，如此反復(fù)，直至達(dá)到最大點(diǎn)附近的一個(gè)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(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行再次尋優(yōu)。

從圖2可知，改變脈寬調(diào)制信號(hào)(Pulse Width Modulation，PWM)的占空比D，實(shí)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(diǎn)發(fā)生改變，從而達(dá)到尋找最大功率點(diǎn)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(guò)調(diào)整PWwM信號(hào)的占空比D，來(lái)改變光伏電池的負(fù)載，從而實(shí)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(guó)內(nèi)外的一些光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)光伏電池的最大功率跟蹤控制，一般提出過(guò)多種方法，如定電壓跟蹤法、擾動(dòng)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(shuō)清從一個(gè)最大功率點(diǎn)怎樣跟蹤到下一個(gè)最大功率點(diǎn)；計(jì)算量很大，實(shí)現(xiàn)較困難；控制精度差，受外在影響大。本文提出的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，可彌補(bǔ)以上不足之處。

3 模糊控制器設(shè)計(jì)

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，使用模糊邏輯對(duì)系統(tǒng)的輸入和輸出進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以得出一系列控制規(guī)則，可以由微機(jī)十分簡(jiǎn)明地實(shí)現(xiàn)。

3．1 確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)

MPPT控制設(shè)計(jì)，其關(guān)鍵是模糊控制器的設(shè)計(jì)。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(shí)刻輸入量，為第n時(shí)刻的功率變化量△P(n)和功率變化率；第n時(shí)刻的輸出量為第n+1時(shí)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(jì)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(yǔ)言變量E和U，定義為7個(gè)模糊子集，EC定義為6個(gè)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(gè)等級(jí)，將EC的論域規(guī)定為12個(gè)等級(jí)，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(jiàn)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(lái)決定這一時(shí)刻的占空比改變量。通過(guò)對(duì)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(duì)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(lái)改變量調(diào)整方向，否則取相反方向；

(2)離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)處，采用較大改變量以加快跟蹤速度；離最大功率點(diǎn)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(diǎn)為中心的極小的ZO區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)，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(shí)，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(duì)實(shí)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(jì)算式為：



式中：u(Ai)為第i個(gè)模糊輸出量的隸屬度；A為第i個(gè)模糊輸出量。
經(jīng)過(guò)試驗(yàn)仿真，結(jié)果如圖8所示。經(jīng)過(guò)MPPT模糊控制占空比時(shí)，它能夠迅速地跟蹤到最大功率點(diǎn)。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(shí)滯性，能夠快速地跟蹤到最大功率點(diǎn)，并保持在此狀態(tài)。



4 結(jié) 語(yǔ)

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(diǎn)的跟蹤不僅跟蹤迅速，而且反應(yīng)靈敏，且通過(guò)模糊控制表可以實(shí)現(xiàn)離線設(shè)計(jì)，節(jié)省了微機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)空間，提高了工作速度。