基于模糊控制的光伏系統(tǒng)最大功率點跟蹤

基于模糊控制的光伏系統(tǒng)最大功率點跟蹤xxx摘要：針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤MPPT）原理進行了詳細的分析和闡述，介紹了傳統(tǒng)的擾動觀測法的優(yōu)缺點，在此基礎(chǔ)上提出了基于模糊控制的變步長擾動觀察法來實現(xiàn)最大功率點跟蹤。通過Matlab/simulink進行系統(tǒng)仿真，給出了光照突變時最大功率點跟蹤曲線。實驗結(jié)果表明，該模糊控制算法具有更好的系統(tǒng)響應(yīng)特性和穩(wěn)態(tài)特性。關(guān)鍵詞：光伏；最大功率點；模糊控制Maximumpowerpointtrackingbyusingfuzzycontrolfor

photovoltaicpowersystemAbstract：Basedonanalyingtheprincipleofmaximumpowerpointtrackinginphotovolaticenergygenerationsystem，thispaperintroducesthemeritandshortcomingofthedisturbanceobservation.Thenitbringsupthefuzzycontroltheorybasedonthemaximumpowertrackingalgorithm.ThroughsimulationbyMatlab&simulink，itgivesthemaximumpowerpointtrackingcurvewhentheilluminationarechanging.Theexperimentalresultsshowthatthefuzzycontrolmethodhasthebettersystemandsteady-stateresponsecharacteristics.Keywords：photovolatic；MPPT；fuzzycontrol太陽能資源豐富，分布廣泛，開發(fā)利用前景廣闊。光伏發(fā)電作為太陽能利用的重要方式，已經(jīng)得到世界各國的普遍關(guān)注。從發(fā)展趨勢看，光伏發(fā)電即將成為技術(shù)可行、經(jīng)濟合理、具備規(guī)?；l(fā)展條件的可再生能源，對合理控制能源消費總量、實現(xiàn)非化石能源目標(biāo)發(fā)揮重要作用。在不同的外界條件下，光伏電池可運行在不同且唯一的最大功率點（MaximumPowerPoint，MPP）上。因此為了最大限度地將光能轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)光伏電池的最大功率輸出，光伏電池的最大功率點跟蹤（MPPT）技術(shù)已成為本課題研究的熱點。本文在分析光伏電池特性的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)的擾動觀察法進行了介紹，提出了基于模糊控制理論的變步長擾動觀察法來實現(xiàn)光伏系統(tǒng)的最大功率點跟蹤。1光伏電池的特性分析光伏電池的等效電路及數(shù)學(xué)模型光伏電池的工作情況可用圖（1）所示的等效電路來描述。圖中把光伏電池看成能穩(wěn)定地產(chǎn)生光電流I的電流源［3，4］。其中，R為串聯(lián)電阻，R為旁漏電phssh

阻，一般情況下R較小而R較大，由于R和R是分別串聯(lián)和并聯(lián)在電路中的,sshssh所以在進行理想電路計算時可以忽略不計，因此可得到理想光伏電池的特性方程：I二I*{]—C*{exp[U/(C*U)]-1}}sc12ocC二(1—U/U)*exp[—U/C*U)]1mocm2ocC二(U/U—1)*[ln(1—I/1)]-12mocmsc式中：S為參考日照強度，一般取1KW/m2；ref(1)(2)(3)T為參考電池溫度，一般取25°C；T為環(huán)境溫度(1)(2)(3)T為參考電池溫度，一般取ambAT為實際電池溫度與參考電池溫度的差值(K)；K為光照強度變化時，光伏電池陣列的溫度系數(shù)，典型值為0.3C*W/m2；I'為光照強度ST、電池溫度T時,sc光伏電池短路電流(A)；U'為電池溫度T、光照強度S下時，光伏電池最大功m率點電壓(V)；a，b，c為常數(shù)，推薦的典型值為：a=0.0025,b=0.5,c=0.00288。光伏電池的輸出特性圖(2)為光伏電池在相同溫度而不同光照條件下的P-V特性曲線。它表明光伏電池的輸出特性受到光照強度的影響，隨著光照強度的增強，最大功率值逐漸提高，并且最大功率點處的工作電壓發(fā)生偏移。MPPpaiul.￡V)圖2不同輻照度條件下光伏電池的P-V特性曲線圖(3)為不同光照條件下光伏電池的V-I特性曲線。它表明光伏電池既非恒流源也非恒壓源。在最大功率點左側(cè)部分類似于恒流源，最大功率點右側(cè)部分

類似于恒壓源，并且類似恒流源區(qū)域與類似恒壓源區(qū)域范圍的比例大約為4:1[5]。隨著光照強度的增加，光伏電池輸出的短路電流不斷提高，開路電壓逐漸增大。圖3不同輻照度條件下光伏電池的V-I特性Fig.3TheV-IcharacteristicscurveofphotovoltaicEcllsunderdifferentirradianEcconditions從以上分析可以看出光伏電池的輸出特性受光照強度的影響比較明顯，它是一種非線性電源，如果采用最大功率點跟蹤技術(shù)使系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定在當(dāng)前工作特性的最大功率點附近處，則可以提高光伏陣列的能量利用率，減少功率損失，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。2基于擾動觀察法的MPPT2．1定步長擾動觀察法擾動觀察法是目前實現(xiàn)最大功率點跟蹤最常用的方法之一。其原理是周期性地擾動光伏電池的輸出電壓值，判斷擾動前后系統(tǒng)輸出功率的變化情況，并以使輸出功率增加的原則來對系統(tǒng)進行控制。伴隨著不斷地擾動輸出電壓值，使電池輸出功率實時調(diào)整并趨于最大，最終來回往復(fù)穩(wěn)定在最大功率點附近的一個較小范圍內(nèi)。擾動觀察法實現(xiàn)MPPT過程如圖(4)所示。設(shè)測得P值為當(dāng)前光伏電池輸k出功率，與前一時刻的功率值P作比較，若P>P，即功率值增加，則擾動k-1kk-1方向正確，可朝同一(AU)方向繼續(xù)擾動；反之，若P<P，即功率值減少，kk-1則擾動方向錯誤，貝U朝相反(-AU)方向擾動，在實際應(yīng)用中，光伏電池輸出電壓可以通過占空比來調(diào)節(jié)。140oooO140oooO8642w/rewoP°0510152025Voltage/v圖4擾動觀察法的MPPT控制規(guī)則示意常規(guī)的定步長擾動觀察法采用固定的電壓變化量AU,跟蹤方法簡單、對傳感器精度要求不高、易于實現(xiàn)是定步長擾動觀察法的優(yōu)點。在光伏電池MPP附近振蕩運行,會導(dǎo)致一定功率損失是該法的主要缺點［6］。此外,當(dāng)外部環(huán)境溫度和輻照度發(fā)生變化時,系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)變換到另一個穩(wěn)態(tài)的過程中,可能在尋優(yōu)的第一步發(fā)生方向的判斷錯誤,出現(xiàn)誤判現(xiàn)象,進而導(dǎo)致跟蹤失敗。基于模糊控制的變步長擾動觀察法基于模糊邏輯控制的MPPT方法是考慮到光伏電池溫度與負載情況的變化、輻照度的不確定性以及光伏電池輸出特性的非線性特征而提出的。為實現(xiàn)MPPT控制,模糊控制系統(tǒng)將采樣得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過運算,判斷出工作點與最大功率點之間的位置關(guān)系,自動校正工作點電壓值,使工作點趨于最大功率點［7］。調(diào)整光伏陣列輸出電壓時,AU的大小會依據(jù)環(huán)境條件和光伏系統(tǒng)的實時端電壓、端電流相應(yīng)調(diào)整,能顯著提高控制系統(tǒng)的性能。引入模糊控制器的獨立光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖（5）所示。圖5引入模糊控制器的獨立光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖3模糊控制器的設(shè)計3.1模糊控制器的輸入和輸出變量定義模糊邏輯控制器的輸出變量為工作點電壓的校正量dU，輸入變量則分

別為光伏電池P-V特性曲線上連續(xù)采樣的兩點連線的斜率值E以及單位時間斜率的變化值Ec,即E=P⑹-P(k-1)(11)U(k)-U(k-1)Ec(k)=E(k)-E(k-1)(12)其中，P(k)和U(k)分別為光伏電池的輸出功率及輸出電壓的第k次米樣值。顯然，若E(k)=0，則表明光伏電池已經(jīng)工作在最大功率輸出狀態(tài)［8。模糊化將模糊集合論域E和CE分別定義為5個模糊子集，即E={NB，NS，ZE，PS，PB}；Ec={NB，NS，ZE，PS，PB}其中，NB，NS，ZE，PS，PB分別表示負大，負小，零，正小，正大。根據(jù)光伏系統(tǒng)特征，采用均勻分布的三角形隸屬度函數(shù)來確定輸入變量(E和Ec)和輸出變量(DeltaD)不同取值與相應(yīng)語言變量之間的隸屬度。E、Ec、DeltaD的隸屬度函數(shù)如圖(5)所示。N3NSZEPSP3-4-3-2-1012S4inputvariableEc"

IlliIIIIIN3NSZEPSPE-4-S-2-1Q1234outputvariahieTteltaD"1圖5隸屬度函數(shù)示意圖3.3模糊推理運算模糊邏輯控制器的作用是調(diào)節(jié)控制信號dU使光伏系統(tǒng)工作在最大功率輸出狀態(tài)。對圖(6)所示的光伏電池P-V特性曲線進行分析，可以得出MPPT的邏輯控制規(guī)則，即：當(dāng)E(k)>0，Ec(k)<0時，P由左側(cè)向P靠近；則dU應(yīng)mpp為正，以繼續(xù)靠近最大功率點；當(dāng)E(k)>0，Ec(k)>0時，P由左側(cè)遠離P；mpp則輸出電壓變化量dU應(yīng)為正，以靠近最大功率點；當(dāng)E(k)<0，Ec(k)>0時，P由右側(cè)向P靠近；則dU應(yīng)為負，以繼續(xù)靠近最大功率點；當(dāng)E(k)<0，mppEc(k)<0時，P由右側(cè)遠離P；則dU應(yīng)為負，以靠近最大功率點；mpp圖6MPPT的邏輯控制規(guī)則示意輸出電壓的的高低主要取決于PWM波的占空比D，因此輸出電壓的變化量dU相應(yīng)取決于占空比的變化量DeltaD。DeltaD由模糊控制器給出，由圖(6)的控制規(guī)則可以得到表(1)所示的模糊控制規(guī)則表，該表反映了當(dāng)輸入變量E和Ec發(fā)生變化時，相應(yīng)輸出變量DeltaD的變化規(guī)則。由此即得出DeltaD對應(yīng)的語言變量。ECENBNSZE卩S卩ENBZEZENBNBNBNSZEZENSNSNSZENSZEZEZE卩S卩5卩5卩S卩5ZEZEPBPBPBPBZEZE表1模糊規(guī)則推理表3.4解模糊解模糊是指根據(jù)輸出模糊子集的隸屬度計算出確定的輸出變量的數(shù)值。本文解模糊采用面積重心法［5］。面積重心法的計算公式如下：工卩(U)*UiiDeltaD=4(13)為卩(U)ii=1式中，DeltaD為模糊邏輯控制器輸出的電壓校正值。根據(jù)給出的隸屬度函數(shù)，E、EC按照其取值對應(yīng)于相應(yīng)的語言變量，依據(jù)表(1)可以判斷出輸出變量DeltaD對應(yīng)的語言變量，該語言變量在隸屬度函數(shù)中對應(yīng)的數(shù)值區(qū)間的中心值即為U。i嘰U)是對應(yīng)于U權(quán)值，由隸屬度函數(shù)決定E、EC對應(yīng)于相應(yīng)的語言變量的權(quán)ii值根據(jù)MAX-MIN方法計算得到。4仿真實驗4.1仿真模型圖(7)為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，根據(jù)光伏電池的數(shù)學(xué)模型，通過Matlab/simulink對光伏電池進行建模并封裝，光伏電池的光照強度和環(huán)境溫度可以直接給定。PWM模塊依據(jù)模糊控制器給出的占空比輸出脈沖波，驅(qū)動IGBT,從而調(diào)整輸出電壓并實現(xiàn)最大功率跟蹤。

仿真結(jié)果仿真實驗中，采用ode23tb算法，仿真時間為10s,采樣周期為le-4s。圖（8）為外界光照強度從300W/m2突變到400W/m2條件下通過模糊控制器得到的占空比與光伏陣列的端電壓曲線，可以看出當(dāng)光照突變時，模糊控制器能迅速影響占空比進而影響輸出電壓，以實現(xiàn)MPPT。圖（9）為最大功率點跟蹤曲線。從圖中可以明顯看出，模糊控制法在1s內(nèi)已經(jīng)基本跟蹤到最大功率點，并且比較穩(wěn)定，基本能滿足工程實踐的需求。DutyCircle圖（9圖（9）光照突變條件下的最大功率點跟蹤曲線圖（8）光照突變條件下的占空比與端電壓PowerofF'V5結(jié)語本文對光伏電池的工作特性進行了詳細的介紹，在分析擾動觀察法的基礎(chǔ)上，提出了基于模糊控制的變步長擾動觀察法最大功率點跟蹤算法。模糊控制法的最大優(yōu)勢在于針對非線性對象進行控制，使系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)特性和穩(wěn)態(tài)特性。仿真結(jié)果表明：模糊控制法可以有效提高光伏電池的能量利用率，當(dāng)外界光照強度變化時，系統(tǒng)能迅速穩(wěn)定在最大功率點處，提高系統(tǒng)的動態(tài)特性和