基于非對(duì)稱(chēng)控制的光伏系統(tǒng)MPPT研究

摘 要： 討論了光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤常用控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)光伏電池功率電壓曲線進(jìn)行了詳細(xì)分析，把非對(duì)稱(chēng)模糊?PID控制應(yīng)用到光伏發(fā)電MPPT控制中，非對(duì)稱(chēng)模糊控制能快速響應(yīng)外界環(huán)境的變化，使光伏系統(tǒng)始終工作在最大功率點(diǎn)；同時(shí)加入PID控制可以有效消除系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近的功率振蕩現(xiàn)象。Matlab仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)方法相比，該方法在外部環(huán)境變化時(shí)能快速準(zhǔn)確地跟蹤伏電池的最大功率點(diǎn)，具有良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

關(guān)鍵詞： 光伏發(fā)電系統(tǒng)； 模糊PID控制； MPPT； Matlab

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）16?0149?03

光伏發(fā)電具有無(wú)污染、無(wú)噪音等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到普遍關(guān)注。制約光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展的主要因素是能量轉(zhuǎn)換效率和環(huán)境問(wèn)題，所以提高光伏陣列的光電轉(zhuǎn)換效率并使其輸出功率最大化，即在理論和實(shí)踐上提出了光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤問(wèn)題。由于傳統(tǒng)方法的局限性，本文采用模糊控制方法的智能性、自適應(yīng)性來(lái)對(duì)非線性光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制，無(wú)疑是一個(gè)很好的選擇[1]。

1 太陽(yáng)能電池陣列特性

太陽(yáng)能電池是一種把光電轉(zhuǎn)換成電能的產(chǎn)生裝置，其輸出的電壓和電流會(huì)受溫度、光照的影響。當(dāng)太陽(yáng)能電池接上負(fù)載并受到太陽(yáng)光照射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光生電流，并在其負(fù)載兩端測(cè)出電壓。其工作工作原理等效電路圖如圖1所示。

當(dāng)流過(guò)負(fù)載R0的電流為I0，可得負(fù)載兩端電壓為V0，由上述等效電路圖可以得到如下的解析式：[I0=Ig-Idexp[qAKT（Vo+IoRs）]-1-Vo+IoRsRsh] （1）

式中：Ig為光生電流（單位：A）；Id為二極管飽和電流（單位：A）；q為電荷電量（l×10-19 C）；A為二極管因子；K為波爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23 J/K）；T為開(kāi)氏溫度（單位：K）；Vo為電池的輸出電壓（單位：V）；Io為電池的輸出電流（單位：A）；Rs為等效串聯(lián)電阻（單位：Ω）；Rsh為等效并聯(lián)電阻（單位：Ω）。表1列出了SHARP NT?R5E3E型號(hào)的光伏電池模組的各項(xiàng)參數(shù)。

表1 SHARP NT?R5E3E的各項(xiàng)參數(shù)

然后根據(jù)光伏電池等效電路圖建立其仿真模型，調(diào)節(jié)電阻負(fù)載的大小進(jìn)行采樣，光伏電池的輸出特性與光照強(qiáng)度和溫度密切相關(guān)，在光照變化時(shí)，其I?V特性曲線和P?V特性曲線如圖2所示[2]。如光伏電池開(kāi)路電壓與光譜輻射強(qiáng)度對(duì)數(shù)呈正比，當(dāng)溫度不變時(shí)，隨著光照改變，其變化不明顯，而短路電流和最大輸出功率有明顯變化。

2 基于非對(duì)稱(chēng)模糊PID控制原理

常用的最大功率跟蹤控制算法有恒電壓跟蹤算法（CVT）、干擾觀察法（PO）、增量電導(dǎo)法（IC）等。對(duì)于那些時(shí)變的、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，當(dāng)無(wú)法獲得精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，利用具有智能特性的模糊控制器能給出有效的控制[3?5]。通過(guò)光伏電池等效電路圖，可以列出其輸出功率公式如式（2）所示，然后對(duì)其輸出功率求導(dǎo)，如式（3）所示。通過(guò)其式子可以知道該導(dǎo)數(shù)是一個(gè)單調(diào)函數(shù)。在零點(diǎn)時(shí)刻，[dPdV]值最大，并且其大小等于光伏電池的短路電流；然后慢慢增加輸出電壓值，[dPdV]緩慢下降，且在最大點(diǎn)附近該值下降速度加快，輸出電壓值一直增加，當(dāng)增加到最大功率處時(shí)，[dPdV]在點(diǎn)值等于零；隨著輸出電壓V再進(jìn)一步增大，[dPdV]值由正變負(fù)，絕對(duì)值快速上升遠(yuǎn)大于曲線在最大功率點(diǎn)左側(cè)的值，特性曲線見(jiàn)圖3。因此在最大功率點(diǎn)兩側(cè)應(yīng)該采用不同的[Δd]，來(lái)實(shí)現(xiàn)光伏電池最大功率跟蹤。

[P=IgV-IdVexpqAKTV-1] （2）

[dPdV=Ig-IdexpqAKTVexp1+qAKTV-Id] （3）

因此根據(jù)光伏電池的特性將非對(duì)稱(chēng)模糊?PID控制應(yīng)用到光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤，它在最大功率點(diǎn)兩側(cè)應(yīng)該采用不同的[Δd]來(lái)實(shí)現(xiàn)跟蹤，并可以減少M(fèi)PP功率振蕩。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示[6]。

2.1 非對(duì)稱(chēng)模糊控制器的設(shè)計(jì)

2.1.1 控制器的模糊輸入量和輸出量

模糊控制器兩個(gè)輸入分別是誤差e和誤差變化ec，見(jiàn)公式（4）。輸出為DC?DC電路中的[Δd]。

[ex=ΔPphΔVph=Pphx-Pphx-1Vphx-Vphx-1ec=ex-ex-1] （4）

2.1.2 模糊控制器的量化和比例因子

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單控制，分別對(duì)[e]和[ec]的實(shí)際值進(jìn)行量化，即用比例因子把模糊控制器的輸出轉(zhuǎn)化為DC?DC電路中的[Δd]，然后映射到模糊集合論域Ep和Ed。

Ep={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

Ed={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

可得[e]，[ec]的論域均為{-0.5，0.5}，[Δd]的論域?yàn)閧-0.01，0.01}

2.1.3 模糊控制器的隸屬度函數(shù)

根據(jù)光伏電池的特點(diǎn)分析，本文[e]選用非對(duì)稱(chēng)的Membership functions，輸出采用梯形Membership functions，如圖5所示。

圖5 隸屬度函數(shù)

2.1.4 模糊決策表和解模糊方法

選取控制量的原則：當(dāng)誤差大或較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主；當(dāng)誤差較小時(shí)，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)穩(wěn)定性為主要出發(fā)點(diǎn)。確定了輸入和輸出控制量之后，下一步是設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則。在本方案中，模糊推理采用Mamdani方式，解模糊方法為面積重心法。最后得到模糊規(guī)則表，如表2所示。

表2 非對(duì)稱(chēng)模糊控制規(guī)則表

2.2 非對(duì)稱(chēng)模糊?PID控制仿真圖

首先建立模糊子系統(tǒng)。采用非對(duì)稱(chēng)模糊?PID控制算法通過(guò)[Δd]來(lái)調(diào)整使得太陽(yáng)能電池最大輸出電壓，[Δd]的步長(zhǎng)必須選擇合適，不能過(guò)大，也不能多小，以求達(dá)到最佳效果，使的系統(tǒng)在MMP處無(wú)功率震蕩，為了最終達(dá)到自動(dòng)尋優(yōu)的效果。設(shè)計(jì)了非對(duì)稱(chēng)模糊?PID系統(tǒng)，其仿真圖如圖6所示。根據(jù)論域和變量實(shí)際取值范圍，e和ec的比例因子都為0.1，Δd的比例因子為10，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，[dPdV≤A]中，A取0.06，仿真時(shí)間設(shè)置為2.0 s，延時(shí)時(shí)間為0.000 02 s。根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)得出數(shù)據(jù)，當(dāng)PI系數(shù)[kP=0.01]，[kI=1]時(shí)，其能夠達(dá)到較好的控制效果[7?8]。

3 仿真結(jié)果分析

設(shè)定初始條件：以NT?R5E3E 175 W太陽(yáng)能電池板為仿真目標(biāo)；[G=800 W/m2]，[T=25 °C]。采用占空比擾動(dòng)法和非對(duì)稱(chēng)模糊控制法的功率輸出曲線如圖7和如圖8所示。從圖7中可以看出，系統(tǒng)從初始功率0 W上升到功率145 W，并在0.06 s左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并伴隨有較大功率振蕩；在t=1.0 s時(shí)，當(dāng)光強(qiáng)突變到[G=1 000 W/m2]，系統(tǒng)在1.01 s左右達(dá)到最大功率點(diǎn)并穩(wěn)定于175 W左右，從圖8可以看出，加入模糊控制之后，響應(yīng)速度明顯加快了，最大功率點(diǎn)處功率振蕩明顯減少。非對(duì)稱(chēng)模糊?PID控制的輸出功率跟蹤曲線如圖9所示，通過(guò)仿真對(duì)比發(fā)現(xiàn)，加入非對(duì)稱(chēng)模糊?PI控制之后，能夠有效地提高動(dòng)態(tài)系統(tǒng)特性和精度，快速跟蹤最大功率點(diǎn)，消除最大功率點(diǎn)處功率振蕩，穩(wěn)定性好。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)光伏電池的非線性特性曲線，以及占空比擾動(dòng)傳統(tǒng)跟蹤方法的不足，應(yīng)用智能、自適應(yīng)性控制方法，將非對(duì)稱(chēng)模糊?PID控制應(yīng)用于光伏電池MPPT中。通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證：該方法在外界環(huán)境變化劇烈的情況下，也能快速跟蹤到并同時(shí)能基本消除最大功率點(diǎn)的功率振蕩現(xiàn)象，具有較高的控制精度和穩(wěn)定性。

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