基于分段模糊控制方法的光伏MPPT控制策略研究*

李營（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州　510430）

基于分段模糊控制方法的光伏MPPT控制策略研究*

李營
（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510430）

摘要：在對光伏發(fā)電系統(tǒng)的電特性進行理論分析的基礎(chǔ)上，基于模糊控制思想提出了一種將固定電壓法和擾動觀察法相結(jié)合的分段式光伏MPPT控制方法。通過對固定電壓法經(jīng)驗分析確定最大功率點對應(yīng)電壓的取值范圍，結(jié)合光伏電池的功率-電壓特性曲線分析，將MPPT控制分為4個區(qū)段，在不同區(qū)段采取不同的控制策略，使光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠快速、穩(wěn)定追蹤最大功率。對所設(shè)計的分段式模糊控制系統(tǒng)進行了仿真研究，結(jié)果顯示，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠快速響應(yīng)并較好地追蹤最大功率點。

關(guān)鍵詞：分段模糊控制；光伏系統(tǒng)；MPPT

*廣州市教育局協(xié)同創(chuàng)新重大項目（編號：13XT07）

0　引言

隨著我國經(jīng)濟社會需求的高速增長，能源消耗逐年增加，煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源缺口逐年增大。傳統(tǒng)能源的消耗同時也給生態(tài)環(huán)境帶來了極大破壞，2013年全國多地長時間重度污染，部分地區(qū)污染指數(shù)突破測量上限，使國家經(jīng)濟社會發(fā)展面臨資源匱乏和污染加劇的雙重考驗。太陽能光伏發(fā)電是新能源的重要組成部分，以其巨大的能源儲量和環(huán)保性被認(rèn)為是當(dāng)前世界上最有發(fā)展前景的新能源技術(shù)[1]。但因太陽能光伏發(fā)電轉(zhuǎn)換效率低、成本高、控制復(fù)雜等諸多原因，一直沒有得到廣泛的普及應(yīng)用。因此，如何通過技術(shù)革新提高光伏發(fā)電效率，降低成本，生產(chǎn)出既可靠穩(wěn)定又價格低廉的光伏發(fā)電設(shè)備，成為近年來眾多學(xué)者研究的熱點問題。

1　光伏發(fā)電的等效模型與基本特性

光伏電池的基本原理可看作一個具有光電效應(yīng)的PN結(jié)[2]，利用光入射于半導(dǎo)體的光線產(chǎn)生電子與空穴，進而產(chǎn)生兩個電極，當(dāng)外接負載構(gòu)成回路后，便產(chǎn)生了電能。圖1為光伏電池的等效電路圖。因單體光伏電池(cell)容量小，因此在實際應(yīng)用中往往將多個單體通過串、并聯(lián)形式鏈接組成光伏陣列(array)[3]。

圖1　光伏電池的等效電路圖

圖1的單體光伏電池由理想電流源Iph、串聯(lián)內(nèi)阻Rs、并聯(lián)內(nèi)阻Rsh和反向并聯(lián)二極管D1構(gòu)成，當(dāng)接入負載Rload后，電池構(gòu)成回路。其中Iph為光伏電池的短路電流，與外界光線環(huán)境有直接關(guān)系，光線越強，Iph越大。式（1）為光伏電池的I-V特性函數(shù)。

串聯(lián)內(nèi)阻Rs為無窮小，并聯(lián)內(nèi)阻Rsh為無窮大，因此可以得出：

公式中：Ir為內(nèi)部等效二極管的P-N結(jié)反向飽和電流；Vr為熱電壓，且Vr=AKT/q；K為Boltzman常數(shù)；A為光伏電池P-N結(jié)的曲線常數(shù)；T為光伏電池板溫度；q為電荷常數(shù)；Rs為串聯(lián)內(nèi)阻；Rsh為并聯(lián)內(nèi)阻。

由式（2）、（3）可以得出光伏電池具有以下特性：光伏電池的短路電流與光照強度近似成比例關(guān)系，開路電壓受光照強度影響較小；在同等光強環(huán)境下光伏電池最大輸出功率隨電池溫度的上升而下降；在同等光強環(huán)境下光伏電池具有唯一的最大輸出功率，且最大輸出功率隨光照強度增強而變大。因此光伏發(fā)電中可以采取有效措施對最大功率點進行跟蹤控制，使系統(tǒng)長期工作在最大功率狀態(tài)以有效提高光伏發(fā)電的效率。

2　光伏MPPT控制的基本原理與方法

光伏電池是一種非線性的電源，其輸出特性可以視為由恒流源與恒壓源組合而成，在不同的太陽輻照度下，光伏電池都具有一個最大功率輸出點。MPPT控制器的全稱“最大功率點跟蹤”（Maximum Power Point Tracking），是一種通過調(diào)節(jié)電氣模塊的工作狀態(tài)，使光伏電池能夠充分實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換、輸出更多電能的電氣控制方法，是通過實時采集光伏電池的轉(zhuǎn)換電壓，并追蹤最高功率（即電壓與電流的乘積），使系統(tǒng)以最大功率輸出電能的一種自尋優(yōu)控制技術(shù)，是提高光伏發(fā)電效率、保證光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性的一種有效手段。

目前，國內(nèi)外關(guān)于MPPT控制方法的研究較多，包括直接近似法、固定點壓法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法、智能控制法以及一些復(fù)合算法等[4]，各種算法的基本原理和特點如表1所示。由于光伏器件輸出功率的非線性特性且其工作環(huán)境變化頻繁，因此為了獲得更好的最大功率點跟蹤控制效果，應(yīng)根據(jù)外部環(huán)境的變化不斷調(diào)整MPPT控制參數(shù)，在現(xiàn)代控制方法中，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制技術(shù)無疑具有這方面的優(yōu)勢。恒壓法、擾動觀察法和增加電導(dǎo)法均可采用智能控制的方法，根據(jù)外部環(huán)境的變化調(diào)整擾動步長進一步提高控制效果。

表1　常用MPPT控制方法對比表

3　光伏MPPT的分段模糊控制方法

（1）光伏系統(tǒng)的MPP特性分析

因光伏電池的輸出功率與工作電壓有關(guān)，只有工作在最合適的電壓下，它的輸出功率才會有唯一的最大值，因此為了分析光伏系統(tǒng)最大功率與電壓之間的關(guān)系，將（3）式對電壓求導(dǎo)，可得出：

當(dāng)dP/dV=0時，光伏系統(tǒng)輸出最大功率，可以得出：

運用Lambert W函數(shù)（又稱為“歐米加函數(shù)”或“乘積對數(shù)”）推導(dǎo)算法[5]，由ax+b=exp(cx+d)可推導(dǎo)出LambertW函數(shù)的顯式表達式為：

當(dāng)I=0時，V=V0，將其代入式（2）可得：

將（8）式代入（7）式并根據(jù)Lambert W函數(shù)換算法則進行換算可得：

根據(jù)Lambert W函數(shù)特性：Lambert W [x· exp（x）]=x，可以看出（9）式中VM與V0之間存在近似的比例關(guān)系，計為：

MV是與光伏電池相關(guān)特性相關(guān)的比例常數(shù)，僅隨自身特性及環(huán)境的變化而變化，將MV定義為光伏電池的比例常數(shù)，即“電壓因子”。MV取值一般在一定范圍內(nèi)，研究經(jīng)驗表明，MV通常是介于0 .71～0 .8之間的常數(shù)。因此最大功率點對應(yīng)電壓VM也具有一定取值范圍，定義為：VM∈(VMmin，VMmax)，其中VMmin=V0·Mv-min，VMmax=V0·Mv-max。

（2）光伏MPPT分段控制策略

根據(jù)式（3）和式（4）可以得出光伏系統(tǒng)的P-V特性曲線和dP/dV-V特性曲線如圖2（a）和圖2（b）所示。

因光伏系統(tǒng)的最大功率點對應(yīng)電壓VM與開路電壓存在近似比例關(guān)系，且VM取值具有一定取值范圍，可以將圖2（a）和圖2（b）分為4個區(qū)段，各區(qū)段的劃分形式及特點如下：

區(qū)段I：dP/dV > 0且V < Vmin，此區(qū)段在最大功率點左側(cè)，P-V為近似線性關(guān)系，dP/dV趨近于衡定值，距離最大功率點較遠，應(yīng)加大擾動步長使系統(tǒng)快速跨入?yún)^(qū)段II或區(qū)段III內(nèi)。

區(qū)段II：dP/dV≥0且Vmin≤V≤Vmax，此區(qū)段在最大功率點左側(cè)，距離最大功率點較近，且距離最大功率點越近dP/dV-V曲線就越陡，此時可通過減小擾動步長使光伏系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定在最大功率點附近。控制中可選擇ΔP/ΔV和ΔV/V0兩個參數(shù)作為輸入?yún)⒖甲兞浚耘袛喱F(xiàn)功率點的準(zhǔn)確位置，確定恰當(dāng)?shù)臄_動步長。

區(qū)段III：dP/dV < 0且Vmin≤V≤Vmax，此區(qū)段在最大功率點右側(cè)，距離最大功率點較近，dP/dV-V曲線較陡且隨著電壓V的增加越來越陡。此區(qū)間因功率受電壓變化的影響較為明顯，控制中可選擇ΔP/ΔV和ΔP的變化作為輸入?yún)⒖甲兞縼泶_定恰當(dāng)?shù)臄_動步長和方向。

區(qū)段IV：dP/dV < 0且V >Vmax，此區(qū)段在最大功率點右側(cè)，距離最大功率點較遠，應(yīng)通過大步長擾動使系統(tǒng)快速跨入?yún)^(qū)段II或區(qū)段III內(nèi)。

基于以上分析，可以將光伏MPPT控制的固定電壓法和擾動觀察法有機結(jié)合并融入模糊控制的思想[6]，對光伏系統(tǒng)在四個不同區(qū)段內(nèi)采用不同的控制方法。如圖2（a）所示，假設(shè)系統(tǒng)在I區(qū)的M點，因該區(qū)段距離最大功率點較遠，希望能夠通過改變擾動步長使系統(tǒng)盡快接近最大功率點，而最直接的方式就是使其直接跨入II區(qū)段，因此可以借助固定電壓法的思想，將系統(tǒng)電壓直接調(diào)整為VMmin，使系統(tǒng)直接進入圖2（a）的B點。以此類推，當(dāng)系統(tǒng)工作在IV區(qū)的N點時，也可以通過設(shè)置電壓為VMmax，使其直接跨入D點；當(dāng)系統(tǒng)工作在II區(qū)段和III區(qū)段時，因距離最大功率點變近，采用擾動觀察法根據(jù)具體位置來設(shè)定擾動步長和方向，實現(xiàn)最大功率的穩(wěn)定捕捉。分區(qū)段控制方法對比表如表2所示。

圖2　光伏系統(tǒng)的特性曲線圖

表2　光伏分區(qū)段MPPT控制策略表

（3）分段模糊控制器設(shè)計

綜合以上分析，在圖2（a）的II區(qū)段和III區(qū)段，采用模糊控制的方法實現(xiàn)MPPT控制。為了獲得更好的最大功率點跟蹤控制效果，應(yīng)根據(jù)輸入?yún)?shù)變化不斷調(diào)整MPPT電路中的控制步長。控制中，因為二維模糊控制器能夠較嚴(yán)格地反映受控過程中輸出變量的動態(tài)特性[7]，并且模糊控制規(guī)則簡單，因此一般選用P-U曲線上的兩點間功率變化與電壓變化的比值E和兩次采樣E的變化CE作為輸入變量，選用BOOST升壓電路的占空比變化ΔD作為輸出變量。但從圖2（b）可以看出，在II區(qū)段和III區(qū)段CE的變化規(guī)律不盡相同，在II區(qū)段特別是靠近B點附近，因dP/dV-V曲線斜率較小，CE的變化不明顯，因此可選取電壓變化替代CE作為輸入變量，即：

基于既能反映相應(yīng)的精確量及其特性，又不使推理計算量過大的原則，在光伏電池模糊控制器中選取了E、CE和ΔD的語言詞集為負大，負中，負小，零，正小，正中，正大，用英文字頭縮寫為NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB。為了確保各模糊集能較好的覆蓋論域，避免出現(xiàn)失控現(xiàn)象，又不致使計算量過大，取E、CE和ΔD的論域均為：

{-6，-5，…，0，…5，6}

根據(jù)光伏發(fā)電的特點，選用經(jīng)驗歸納法作為模糊控制規(guī)則[8]，表3和表4給出了以占空比變化ΔD為控制量輸出的模糊控制器控制規(guī)則表。

表3　II區(qū)段模糊控制規(guī)則表

表4　III區(qū)段模糊控制規(guī)則表

在非模糊化處理中選用面積中心法進行計算，其計算公式如下式：

4　系統(tǒng)仿真

為驗證分段模糊控制方法的效果，應(yīng)用Mat?lab軟件對系統(tǒng)進行了仿真研究，仿真系統(tǒng)模型如圖3所示。圖中獨立式光伏電池等效電路被集成在PV module模塊中，分段式模糊控制算法封裝在MPPT piecewise fuzzy control模塊，BOOST電壓變換電路集成在DC-DC module模塊。

仿真中選取BOOST斬波開關(guān)頻率為5 kHz，MPPT周期為3 ms，光伏電池額定功率150 W。環(huán)境條件為，溫度為恒溫25℃，光照強度給出三種變化，即開始為零，1 s后增加到1 000 W/m2，3s后降為300 W/m2，之后保持在300 W/m2。圖4和圖5分別給出了功率變化和BOOST占空比變化的仿真曲線。

從仿真結(jié)果可以看出，采用分段模糊控制可有效提升光伏系統(tǒng)追蹤最大功率點的跟蹤速度和穩(wěn)定性，在光照變化時，可以快速響應(yīng)并減小系統(tǒng)的誤判，使系統(tǒng)快速穩(wěn)定在新的最大功率點。相對于傳統(tǒng)擾動觀察法和固定電壓法，既能簡單有效地實現(xiàn)最大功率點的捕捉和跟蹤，又能保證跟蹤的精度和穩(wěn)定性。

圖3　系統(tǒng)仿真模型圖

圖4　功率輸出曲線圖

圖5　占空比輸出曲線圖

5　結(jié)束語

因真實的光伏發(fā)電系統(tǒng)具有數(shù)學(xué)模型復(fù)雜、光照輸入多變、受環(huán)境影響大、功率輸出非線性等諸多特點，捕捉最大功率所采用的固定電壓法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法、智能控制法等方法各具特點，采用模糊控制方法可有效解決系統(tǒng)難以建立精確數(shù)學(xué)模型問題，從而簡化控制算法。基于光伏發(fā)電系統(tǒng)在最大功率點左右兩側(cè)所表現(xiàn)出特性的偏差，在最大功率點左右兩側(cè)及不同區(qū)域采用差異化控制方式可使控制系統(tǒng)進一步提高效率和控制精度。因此將固定點壓法、模糊控制方法和分段控制策略結(jié)合，建立復(fù)合型光伏MPPT控制方案是改善光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制性能的有效途徑。

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(編輯：向飛)

Research on MPPT Control of Photovoltaic System Based on the Piecewise Fuzzy Control Method

LI Ying
（Guangzhou Railway Polytechnic，Guangzhou510430，China）

Abstract:This paper analyzes the electrical characteristics of PV system，presents a piecewise fuzzy MPPT control method with a combination between constant voltage method and perturbation and observation method.Through the analysis of the constant voltage method and the power-photovoltaic characteristic curve，determined the corresponding voltage range of maximum power point and divided the MPPT control into 4 sections，adopt different control strategies in different sections.A simulation study was conducted.The results show，the system is fast response and running stable，maximum power point tracking effect is good.

Key words:piecewise fuzzy control；photovoltaic system；MPPT

作者簡介：李營，男，1980年生，河北承德人，碩士，工程師/講師。研究領(lǐng)域：機電系統(tǒng)控制技術(shù)、機電一體化技術(shù)。

收稿日期：2015－07－17

DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2015.08.023

中圖分類號：TP273

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009－9492 (2015 ) 08－0082－05