光伏電池最大功率跟蹤系統設計 ①

吳修權，劉偉麗，姜明明

(山東農業工程學院機械電子工程學院，山東 濟南 250000)

1 引言

在太陽能光伏發電系統中，初期投資費用高，并且系統能量轉換效率低。太陽能電池受環境的影響嚴重，輸出不穩定，效率差[1]。同時光伏電池的價格昂貴，轉換率低，光伏系統的推廣受到很大限制。最大功率點跟蹤可以保證相同光照條件和硬件設備投入的前提下獲取功率，獲取最大發電量。最大功率點的跟蹤可以在保持系統穩定性的同時提高光伏系統的利用率。本文采用了基于模糊控制的擾動觀察法，具有響應速度快、控制精度高。系統穩定性好等優勢。

2 系統設計

2.1 最大功率跟蹤系統簡介

當外部環境因素變化時，光伏電池的負載特性呈現非線性變化，如圖1所示。

圖1 光伏電池P-U曲線在不同光照強度下的變化Fig.1 Changes of PV cell P-U curve under different light intensity.

圖1顯示輸出功率會隨輸出電壓的變化而變化，在P-U曲線的最高點就是最大功率點。多條P-U曲線顯示不同光照強度下，最大功率點所對應的電壓不同。根據環境變化調整光伏陣列的工作電壓使輸出功率時刻保持最大。這就是本文研究的最大功率點跟蹤。

2.2 系統方案選擇

最大功率跟蹤控制系統方案包括跟蹤控制算法和控制電路兩部分。

2.2.1 跟蹤控制算法方案選擇

跟蹤控制算法主要有模糊控制法、恒壓法、擾動觀察法、最優梯度法、增量電導法等。從成本、復雜程度、精準度和響應速度等方面綜合考慮本文選擇擾動觀察法。

擾動觀察法原理是給工作電壓一個小的擾動，輸出功率隨之變化。功率增大則繼續原方向擾動，若減小則改變方向。通過系統分析選取DC-DC變換器的占空比為擾動對象，如果增加占空比光伏陣列輸出功率增加，則繼續增加，反之則減少[2]。

擾動觀察跟蹤算法硬件結構簡單，被測量少，對傳感器精度要求低，實現簡單。但也存在缺點，引入擾動后系統會出現震蕩，造成功率損失。因此擾動步長大小的選取要兼顧系統的動態性能和穩態性能。因此擾動觀察法較適合用在光線強度變化較慢的場合。但因地域和環境的不確定性，光伏電池溫度、負載和光照強度都是非線性，最大功率點也是時刻變化的。針對這樣的非線性系統，使用模糊控制方法，將會獲得更理想的效果。

綜上所述，本系統采用基于模糊控制的擾動觀察法，測量參數少、硬件要求低、控制算法簡單，同時提高了系統的動態和穩態性能。

2.2.2 控制電路方案選擇

光伏電路外接負載時改變時，輸出功率會發生變化，當阻值匹配時輸出功率最大。但現實中外部負載不可控，因而通過調節DC/DC電路PWM的占空比實現阻抗匹配。通過Pspice對電路進行仿真獲得數據，使用MATLAB進行曲線擬合可得輸出功率隨占空比變化的關系曲線圖。

圖2 輸出功率隨占空比變化的關系曲線圖Fig.2 The relation graph of output power changing with duty ratio.

DC-DC變換器有BUCK變換器、BOOST變換器和BUCK-BOOST變化器三種類型。經過對比發現BOOST電路具有直流側的電壓配置更加靈活、輸出電流紋波較小等優點。最大功率跟蹤系統結構圖如下。

圖3 最大功率跟蹤系統的結構圖Fig.3 Structure diagram of maximum power tracking system.

2.3 最大功率跟蹤控制系統設計

2.3.1 模糊控制算法設計

模糊控制采用雙輸入單輸出結構，將輸出功率作為系統的目標函數，占空比D作為控制變量。系統結構圖如圖4所示。

圖4 模糊控制算法原理圖Fig.4 Schematic diagram of fuzzy control algorithm.

模糊控制規則

(1)最大功率點較遠處，采用較大步長加快系統響應速度；最大功率點附近，采用較小步長降低擾動的幅度，減少功率的損失。

(2)如果輸出功率增加，則繼續向原擾動方向調整，否則調整擾動方向。

(3)當處于最大功率點附近的極小區域時，系統保持穩定，避免震蕩。

(4)當外界因素改變，輸出功率發生明顯變化時，系統快速做出反應，進行再次尋優[3]。

遵循控制規則，并對實際仿真結果進行調整確定最終模糊控制規則表。

模糊控制器動作一次，先將觀測值數值輸入到模糊控制器中，然后經過模糊化、模糊推理以及解模糊后，作用在被控對象上。這樣控制系統較為復雜，實時性較差[4]。所以本系統通過離線方式計算得出觀測值和對應的控制值的模糊控制表。

表1 模糊控制規則表Table 1 Fuzzy control rule table.

控制系統只需將E、Ec量化后，通過查表的方式即可完成輸出，系統結構簡單，運算過程減少，從而模糊控制系統實時性得以提升。

2.3.2 硬件設計

硬件系統的設計主要包括：變換電路，電壓、電流采樣電路和A/D電路。以變換電路為例講述元器件參數的選擇。

首先，分析BOOST電路中電感和電容對電路性能的影響，分別選取不同的電感和電容在Pspice軟件中進行仿真，結果如圖5和圖6所示。

圖5 不同電感值下的BOOST輸出特性曲線Fig.5 BOOST output characteristic curves with different inductance values.

圖6 不同電容值下的BOOST輸出特性曲線Fig.6 BOOST output characteristic curves with different capacitance values.

電感值的選取影響輸出電壓和電感上的紋波電流，電容值的選取影響響應速度和電壓波動幅度。在此，要求電感上的紋波電流小于20%，輸出電壓的紋波系數為1%。根據仿真結果選擇電感1.5 mH，電容25 uF。

對不同的負載阻抗在Pspice中進行仿真，可得BOOST電路輸出功率隨負載阻值變化的曲線。

圖7 BOOST電路輸出電壓隨負載阻值變化的曲線Fig.7 BOOST circuit output voltage curve with load resistance.

由圖可見，負載阻值從0開始增加時，輸出功率先增加后減小，通過改變負載電阻可以達到最大功率輸出，但實際中負載阻值不能隨意改變。通過推導可得出內部等效電阻的表達式：

R′=RL(1-D)2

分析可知：R′值隨著D值的增大而減小。所以系統采用改變占空比而改變內部等效電阻的方式來實現最大功率輸出是可行的。圖8為不同的占空比下BOOST電路輸出功率的仿真波形圖。

2.4 系統軟件設計

軟件程序的主要功能是檢測當前光伏電池的輸出功率，通過模糊控制調節電路中開關管的占空比，實現最大功率跟蹤。系統軟件采用Verilog硬件描述語言編寫。

最大功率跟蹤控制系統設計的程序流程圖如圖8所示。

圖8 最大功率跟蹤控制系統程序流程圖Fig.8 Maximum power tracking control system program flow chart.

跟蹤控制系統可分成四個部分：數據采集模塊、功率計算分析模塊、模糊控制器模塊和PWM信號產生模塊。其功能結構框圖如圖9所示。

圖9 最大功率跟蹤系統硬件設計程序流程圖Fig.9 Flow chart of hardware design program for maximum power tracking system.

3 結果驗證

對PWM模塊進行仿真，可得仿真結果圖如圖10所示。

圖10 PWM模塊波形仿真結果圖Fig.10 WM module waveform simulation result diagram.

對整個控制系統整體仿真波形圖如圖11所示。

圖11 最大功率跟蹤控制系統仿真波形圖Fig.11 Maximum power tracking control system simulation waveform.

4 結論

本文提出了基于模糊控制的擾動觀察法。通過控制BOOST電路開關的占空比來調節內部等效電阻的方式實現最大功率跟蹤。響應速度快、硬件電路結構簡單、避免震蕩造成能量損失，提升了光伏發電系統的動態性能和穩態性能。