基于模糊控制的光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤算法仿真研究*

柏宗元，張繼勇，李敏艷

（揚(yáng)州大學(xué) 電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州225000）

引言

光伏發(fā)電是一種以太陽能為基礎(chǔ)的新興發(fā)電方式，雖然能夠受到普遍重視，但是卻一直得不到很好的利用[1]。主要原因是其本身易受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等多重因素制約，因此必須針對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）[2]。現(xiàn)在還在普遍使用的方法有：恒定電壓法（Constant Voltage Tracking，CVT）、擾動(dòng)觀測法（Perturbation and Observation Method，P&O）、電導(dǎo)增量法（Incremental Conductance Method，INC）[3]等。本文采用模糊控制法實(shí)現(xiàn)對光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤，并選擇使用最廣泛的擾動(dòng)觀察法做對比。用Matlab/Simulink 仿真進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明了該方法無論是在光照強(qiáng)度還是環(huán)境溫度改變時(shí)均具有一定的優(yōu)勢。

1 光伏電池簡介

光伏電池用于將太陽的光能轉(zhuǎn)化為電能，其等效電路模型如圖1 所示[4]。

根據(jù)基爾霍夫定律可知，光伏電池的特性方程為：

式中：q 為電荷電量（1.6×10-19C）；K 為玻爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K）；T 為光伏電池表面溫度；A 為二極管因子；Rs為等效串聯(lián)電阻；Rsh為等效并聯(lián)電阻；IP為光生電流；IL為電池輸出電流；UL為電池輸出電壓。

圖1 光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型

2 MPPT 模糊控制設(shè)計(jì)

模糊控制實(shí)際上是一種計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，最重要的依據(jù)來源為自然語言控制規(guī)則和模糊邏輯推理。這種控制主要依賴于操作經(jīng)驗(yàn)、表述知識(shí)轉(zhuǎn)換成的“模糊規(guī)則”而非傳統(tǒng)意義上的控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，所以實(shí)現(xiàn)了人的某些智能，屬于一種智能控制[5]。

在模糊控制中，模糊子集可用NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB 分別代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大，這樣取的目的是為了提高分辨率從而使精度變高，減少誤差，能夠更好地跟蹤系統(tǒng)[6-7]。

本文選擇Ⅱ型隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)輸入量控制誤差E 和誤差變化率Ec以及輸出量Ur，如圖2 所示。

由于本文采用的為二維模糊控制器，根據(jù)文獻(xiàn)[6]可得表1 所示的模糊控制規(guī)則表。

圖2 E、EC、Ur 的隸屬函數(shù)

圖3 光伏發(fā)電的模糊MPPT 控制仿真圖

表1 模糊控制規(guī)則表

3 仿真結(jié)果分析

基于Matlab/Simulink 建立運(yùn)用模糊控制法的光伏電池仿真模型，如圖3 所示。

本文設(shè)置仿真時(shí)間為0.8s，步長取5e-6，運(yùn)用ode23tb 算法。經(jīng)過量化因子K1、K2使得輸入變量映射到模糊控制器，輸出Ur，經(jīng)PWM 模塊再輸出占空比D。這里，K1取0.1，K2取0.01。

使溫度保持在25℃，0.2s 時(shí)，光照強(qiáng)度從1000W/m2階躍下降至800W/m2；0.4s 時(shí)，光照強(qiáng)度從800W/m2斜坡下降至700W/m2；0.6s 至0.8s 維持在700w/m2不變。仿真結(jié)果如圖4 所示。

使光照強(qiáng)度保持在1000 W/m2，0.2s 時(shí)，溫度從25℃階躍下降至15℃；0.4s 時(shí)，溫度從15℃斜坡方式下降至5℃；0.6s 至0.8s 維持在5℃不變。仿真結(jié)果如圖5 所示。

由圖4 可知，當(dāng)光照強(qiáng)度為1000W/m2時(shí)，擾動(dòng)觀察法跟蹤到最大功率點(diǎn)的響應(yīng)時(shí)間為0.065s，振蕩范圍為120.0～144.0W，模糊控制法則為0.05s，振蕩范圍為130.8～133.2W；當(dāng)光照強(qiáng)度為800W/m2，擾動(dòng)觀察法的響應(yīng)時(shí)間為0.275s，振蕩范圍為100.0～111.0W，模糊控制法的響應(yīng)時(shí)間為0.23s，振蕩范圍為104.5～106.5W；在斜坡式變化時(shí)，可以看到前者的振蕩范圍也很大，后者則相對平滑穩(wěn)定，當(dāng)斜坡下降至700W/m2，擾動(dòng)觀察法和模糊控制法的響應(yīng)時(shí)間相仿，但前者的振蕩范圍為78.5～95.2W，后者為87.2～88.5W。當(dāng)溫度改變時(shí)，由圖5 可知，溫度的改變對輸出功率影響較小，且仿真對比結(jié)果與光照強(qiáng)度改變時(shí)的對比結(jié)果類似，故不予贅述。由此可以體現(xiàn)出模糊控制法能更加快速有效地跟蹤到最大功率點(diǎn)，并控制功率損耗。

圖4 光照強(qiáng)度改變下的功率輸出對比曲線

圖5 溫度改變下的功率輸出對比曲線

4 結(jié)束語

本文分析了光伏電池系統(tǒng)模型，提出一種模糊控制法來跟蹤光伏電池的最大功率點(diǎn)。在Matlab/Simulink 環(huán)境下將模糊控制法與擾動(dòng)觀察法進(jìn)行仿真對比。仿真結(jié)果顯示，采用模糊控制法可以有效提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少能量損耗，具有較強(qiáng)的跟蹤性能，從而能夠提高光伏電池的工作效率。