基于模糊控制的光伏電池MPPT的設計

0 引 言

隨著全球能源緊張問題的日益嚴重，再生能源正得到越來越廣泛的應用。近年來，光伏能源以其具有無污染，可長期使用等優(yōu)點，得到了很大的發(fā)展。一般光伏系統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，即在理論上和實踐上提出了光伏電池陣列的最大功率點跟蹤(Maximum Power。Point Tracking，MPPT)問題。光伏并網發(fā)電系統中由于陣列的功率等級一般較大，因此MPPT問題顯得尤為重要。故利用智能控制方法上的智能性、自適應性來對非線性的太陽能光伏發(fā)電系統進行控制，無疑是一個很好的選擇。

1 光伏電池的最大功率點

從圖l中可以看出，在一定的光照強度與溫度下，光伏電池輸出曲線上都可以找到一個最大的功率輸出點Pm，如果可以使光伏電池時工作在最大功率點，就可以極大地提升光伏電池的效率，故應尋找其最大功率點，即尋優(yōu)。


2 MPPT控制的原理與設計

MPPT控制的原理實質上是一個動態(tài)自尋優(yōu)過程，通過對光伏電池當前輸出電壓與電流的檢測，得到當前電池輸出功率，將其與前一時刻功率相比較，然后根據功率與占空比的關系，改變占空比，使其向最大功率點不斷靠近，如此反復，直至達到最大點附近的一個極小區(qū)域內。當外界光照強度與溫度發(fā)生明顯改變時，系統會進行再次尋優(yōu)。

從圖2可知，改變脈寬調制信號(Pulse Width Modulation，PWM)的占空比D，實質上是改變了光伏電池的負載。也即使光伏電池的輸出功率點發(fā)生改變，從而達到尋找最大功率點的目的。


光伏電池的負載RL與負載R和占空比D的關系式為：

RL=R／D

MPPT控制器通過調整PWwM信號的占空比D，來改變光伏電池的負載，從而實現阻抗匹配的功能。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關系如圖3所示。


國內外的一些光伏發(fā)電系統對光伏電池的最大功率跟蹤控制，一般提出過多種方法，如定電壓跟蹤法、擾動觀察法、功率回授法和增量電導法等，這些算法的不足在于：未說清從一個最大功率點怎樣跟蹤到下一個最大功率點；計算量很大，實現較困難；控制精度差，受外在影響大。本文提出的設計方案進行最大功率點跟蹤，可彌補以上不足之處。

3 模糊控制器設計

在光伏并網發(fā)電系統中，使用模糊邏輯對系統的輸入和輸出進行設計，可以得出一系列控制規(guī)則，可以由微機十分簡明地實現。

3．1 確定模糊控制器的結構

MPPT控制設計，其關鍵是模糊控制器的設計。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時刻輸入量，為第n時刻的功率變化量△P(n)和功率變化率；第n時刻的輸出量為第n+1時刻的占空比改變量△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。

將語言變量E和U，定義為7個模糊子集，EC定義為6個模糊子集，即：

其中：NB，NM，NS，NO，ZO，PO，PS，PM，PB分別表示負大，負中，負小，負零，零，正零正小，正中，正大等模糊概念。將E，U的論域規(guī)定為15個等級，將EC的論域規(guī)定為12個等級，即：


3．3 確定隸屬函數

模糊子集的隸屬函數形狀較尖，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的形狀，E和EC的隸屬函數見圖5和圖6，U的隸屬函數如圖7所示。

3．4 確定模糊控制規(guī)則

根據功率值的變化量，來決定這一時刻的占空比改變量。通過對光伏電池輸出功率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、日照強度)對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)原來改變量調整方向，否則取相反方向；

(2)離最大功率點較遠處，采用較大改變量以加快跟蹤速度；離最大功率點附近，采用較小改變量進行搜索以減小搜索損失；

(3)當達到以最大功率點為中心的極小的ZO區(qū)域時，系統穩(wěn)定下來，直至外界環(huán)境再次發(fā)生明顯變化。

(4)當溫度、日照強度等因素發(fā)生變化導致光伏電池輸出功率發(fā)生明顯變化時，系統能夠作出快速的反應，進行再次尋優(yōu)。

遵循上述原則，并對實際仿真結果進行調整得到最終控制規(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，其計算式為：



式中：u(Ai)為第i個模糊輸出量的隸屬度；A為第i個模糊輸出量。
經過試驗仿真，結果如圖8所示。經過MPPT模糊控制占空比時，它能夠迅速地跟蹤到最大功率點。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滯性，能夠快速地跟蹤到最大功率點，并保持在此狀態(tài)。



4 結 語

仿真發(fā)現，將模糊邏輯控制應用于光伏電池最大功率點的跟蹤不僅跟蹤迅速，而且反應靈敏，且通過模糊控制表可以實現離線設計，節(jié)省了微機的內部存儲空間，提高了工作速度。