基于模糊控制的光伏發電系統最大功率點跟蹤算法研究

鞏瑞春　王瑞虹

摘 要：本文基于模糊控制算法，設計了光伏發電系統最大功率點跟蹤方法，然后分析了基于模糊控制的光伏發電系統最大功率點跟蹤算法的工作原理和實現方法，最后對基于模糊控制的光伏發電系統最大功率點跟蹤算法進行仿真分析。結果表明：光伏電池仿真系統能夠有效跟蹤到最大功率點，且此時輸出最大功率、振蕩小、波形穩定。

關鍵詞：最大功率點;光伏發電系統;模糊控制

中圖分類號：TM615文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）31-0109-03

Research on Maximum Power Point Tracking Algorithm of

Photovoltaic Power Generation System Based on Fuzzy Control

GONG Ruichun WANG Ruihong

（College of Information Science and Technology，Baotou Teachers'? College，Baotou Inner Mongolia 014031）

Abstract： Based on the fuzzy control algorithm， this paper designed the maximum power point tracking method for photovoltaic power generation system， then analysed the working principle and implementation method of the maximum power point tracking algorithm for photovoltaic power generation system based on fuzzy control. Finally， the maximum power point tracking algorithm for photovoltaic power generation system based on fuzzy control was simulated and analyzed. The results showed that the photovoltaic cell simulation system could effectively track the maximum power point， and the output maximum power， small oscillation， and stable waveform at this time.

Keywords： maximum power point;photovoltaic power generation system;fuzzy control

1 光伏發電系統基本概述

光伏發電是利用半導體接受光照產生光生伏特效應，并將太陽光能直接轉化為電能的一種關鍵技術。光伏發電的基本裝置是太陽能電池，而光伏發電系統是指將太陽能轉變為電能的發電系統[1]。

由于光伏電池輸出曲線本身具有非線性，所以當外界條件發生改變時，光伏電池最大功率點位置也會相應改變。為了提高光伏電池在不同條件下的功率值，最大程度改善太陽能轉化為電能的效率，需采用最大功率跟蹤技術。本文在分析光伏電池輸出特性的基礎上，引入了模糊控制算法，實現對光伏電池最大功率點的跟蹤。模糊控制具有響應快、魯棒性以及自適應性強等特點，能有效提高控制精度和穩定性，非常適合太陽能光伏發電系統研究。

2 最大功率點跟蹤技術

2.1 MPPT的基本思想

光伏電池輸出功率受外部環境和內部結構影響。當光照強度和溫度確定時，光伏電池輸出的直流電壓值是呈多樣性的，光伏電池輸出功率與自身輸出電壓相關，輸出功率曲線穩定在某一特定點，該點稱為最大功率點。當光伏電池的功率受到光照強度、溫度等外界因素影響發生變化時，對之進行調整，使光伏電池輸出功率盡可能達到最大，這種技術稱為最大功率點跟蹤技術[2]。

2.2 最大功率控制系統的實現

當負載與電源內阻相等時，負載可以獲取最大功率，但光伏電池內阻會隨光照強度、環境溫度變化而變化，所以不確定最佳負載大小。在光伏電池和負載之間增加一個Boost變換電路，通過PWM調制方式來驅動Boost變換電路中的IGBT，利用占空比的調節可實現最大功率點跟蹤，從而達到獲取最大功率的目的。Boost電路結構如圖1所示。

在Boost電路中，通過改變開關的占空比達到調節光伏電池輸出電壓的目的，從而實現MPPT控制。因此，占空比的變化量就是步長的變化量。設占空比[λ]為[tT]，得輸入電壓[Ud]與輸出電壓[U0]的關系如式（1）所示。

[U0=11-λUd]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：[T]為開關時間，[t]為開關管導通的時間。

3 模糊控制法實現MPPT

3.1 模糊控制法工作原理

本文所設計的MPPT控制方法是一種基于模糊邏輯算法的技術。模糊控制是將模糊集合經過模糊推理轉換成數學函數的一種智能控制方式，反映了輸入、輸出變量關系[3]。一般將誤差量e和誤差變化量[ec]當作輸入變量，經過模糊判決得到的值為輸出變量。輸入量e和[ec]的關系如式（2）、式（3）所示。

[epn-pn-1In-In-1]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

[ec=en-en-1]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：[pn]、[In]為n時刻采樣下的光伏電池輸出功率和輸出電流。

當光伏電池在最大功率點[dPdI=0]時，由模糊控制原理可得誤差變化量[ec]為0。

3.2 模糊控制器設計

3.2.1 模糊化。模糊化是實現模糊控制的一個重要步驟，模糊化是將模糊控制器輸入的模糊子集的具體值轉換成模糊子集及其隸屬函數的形式[4]。

首先確定輸入、輸出量。模糊控制器采用雙輸入量單輸出量的形式，設輸入量為誤差量[e]和誤差變化量，[ec]輸出量為占空比[λ]，由式2可知，當誤差變化量[ec]為0時，輸出功率達到最大值，光伏電池工作在此輸出點。

其次，輸入輸出量模糊子集與論域確定。定義模糊集合：Z為零、PS為正小、PM為正中、PB為正大、NB為負大，NM為負中，NS為負小，則e、[ec]與[λ]集合如式（4）～式（6）所示。

[e=NB，NM，NS，Z，PA，PM，PB]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

[ec=NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

[λ=NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

將其模糊論域分別定義為[e=-3，3]，[ec=-3，3]，[λ=-3，3]。

3.2.2 建立模糊規則表思路。建立模糊規格表的基本思路如下：若離最大功率點較遠時，可采用較大的步長控制Boost電路占空比;若離最大功率點較近時，則采用較小的步長控制Boost電路占空比。即功率增加時，不改變原有調節方向;功率減小時，按相反方向調節占空比。

3.3 模糊控制系統的MATLAB/Simulink實現方法

模糊控制系統的設計與仿真是以Simulink中各模塊為基礎，架構而成的仿真模型圖。模糊控制系統中最重要的模塊是Fuzzy Logic Controller，其內部由一個“FIS S-function”模塊組成，需要將在命令窗口設置模糊控制器FIS結構文件并嵌入到“FIS S-function”中，實現“Fuzzy Logic Controller”模塊與Simulink銜接[5]。

把FIS文件嵌入“Fuzzy Logic Controller”模塊的方法是在MATLAB窗口中輸入命令“XXX=readfis（），依據路徑尋找文件‘Mppt_fuzz.fis”，回車即可把FIS結構文件“XXX”送入到MATLAB的工作空間。

4 模糊控制MPPT仿真與分析

4.1 電路仿真模型

本文通過設計模糊控制器，實現了利用模糊控制器控制Boost電路的MATLAB/Simulink仿真，并對最大功率點進行跟蹤。在仿真電路中，各電路元件的參數選取分別為[C2=300μF]、[L2=3mH]、[Cdu1=100μF]。光伏電池工作電壓[Vm]為21.7V，工作電流[Im]為6.5A，短路電流[Isc]為9A，開路電壓Voc為25.5V。模糊控制法MPPT仿真圖如圖2所示。

4.2 仿真結果與分析

在電路模型中，設置光伏電池模塊溫度為25℃，可知在0、0.1s和0.2s時刻，光照強度分別為400、600W/m2、1 000W/m2，光伏電池輸出電壓、電流、功率隨時間變化的曲線如圖3所示。可以看出，隨著光照強度的增加，光伏電池的輸出功率點上升，并且很快到達最大功率點附近，且處于穩定狀態，沒有產生劇烈振蕩[6]。

5 結論

仿真結果表明，光伏電池仿真系統能夠有效跟蹤到最大功率點，且此時輸出最大功率、振蕩小、波形穩定。通過改變光照強度、溫度，仿真的準確性得到驗證，證明了光伏發電系統工作效率可以通過模糊控制法實現得到提高，光伏發電系統響應速度及穩態性能進一步得到提升。

參考文獻：

[1]黃瑞，孫黎霞.基于占空比模糊控制的光伏發電系統MPPT技術[J].電子工程設計，2013（7）：101-104.

[2]王述彥，師宇，馮忠緒.基于模糊PID控制器的控制方法研究[J].機械科學與技術，2011（1）：166-172.

[3]許世偉.基于模糊控制PID控制的光伏發電系統MPPT技術的研究[D].南京：南京師范大學，2017.

[4]付周興，靳海亮，李忠.一種基于Boost電路的光伏最大功率跟蹤方法[J].半導體光電，2013（1）：141-144.

[5]喬興宏，吳必軍，王坤林，等.基于模糊控制的光伏發電系統MPPT[J].可再生能源，2008（5）：13-16.

[6]任碧瑩，鐘彥儒，孫向東，等.基于模糊控制的最大功率點跟蹤方法研究[J].電力電子技術，2008（11）：47-48.