基于模糊控制的光伏最大功率跟踪控制研究

华南理工大学电力学院 赖东升

基于模糊控制的光伏最大功率跟踪控制研究

华南理工大学电力学院 赖东升

本文分析了光伏发电系统最大功率跟踪的原理，提出了利用模糊控制来实现最大功率跟踪的方法。模糊控制具有跟踪精度高，响应迅速，鲁棒性好等优点，并且不依赖与具体数学模型。同时给出了模糊控制器的详细设计过程，利用matlab进行了仿真，获得了很好的输出结果，表明模糊控制用于光伏最大功率跟踪的优越性。

光伏发电；模糊控制；最大功率跟踪

引言

全球经济的快速发展，对能源的依赖性越来越强，能源问题日益突出。光伏发电具有取之不尽，用之不竭，清洁无污染等特点受到世界各国的关注。但由于光伏电池的成本高，转换效率低，严重制约了光伏发电的推广使用。为了让光伏阵列在尽量的多输出电能，降低光伏系统的成本，提出了最大功率跟踪（MPPT）问题。

最大功率跟踪是一个自动寻优的过程。当外界条件改变时，通过比较前一时刻功率的变化来决定下一时刻的变化方向，从而寻找到一个最大功率点。常用的最大功率跟踪算法有恒定电压法，爬山法，电导增量法等。模糊控制法有不需要建立数学模型，适用性强，鲁棒性能好等特点，非常适合光伏发电最大功率跟踪，特别适合光伏发电系统。

1.光伏电池特性

光伏电池工作的原理为光生伏特效应，当光照射在光伏电池上里，光子被半导体吸收，产生非平衡载流子，即电子空穴对，同时在内建电场的作用下使电子与空穴分别拉向了不同方向，产生了光生电动势。只要外电路连接起来，在光照的条件下就会产生电流，输出功率。

图1 太阳能光伏电池输出功率P—V曲线

如图1所示，一定光照条件下，当光伏电池两端的电压从小变大时，其输出功率也不断变化，并且在某一点达到输出功率最大值，这一点即是最大功率点（MPP）。当外界环境变化时，最大功率点也会发生变化，如果光伏电池能一直工作在最大功率点，就能极大地提升光伏电池的利用效率。

2.最大功率点跟踪（MPPT）控制

最大功率跟踪控制的原理实质上为一个动态自寻优过程。通过检测光伏电池输出的电流和电压大小得出当前时刻光伏电池输出功率，并与前一时刻输出功率进行对比；然后根据功率变化与PWM变换器占空比的关系，改变占空比，使其不断靠近最大功率点，如图2所示。

常用的光伏系统最大功率跟踪算法有：定电压法（CVT）、扰动观察法、电导增量法、模糊控制法、神经网络法等。

鉴于模糊控制的优越性，本文重点介绍模糊控制器的设计与仿真。在matlab中可以利用模糊控制工具箱，对光伏系统的输入和输出进行设计，可以得出一系列的控制规则，并十分简单明了的实现。

图2 光伏系统的MPPT跟踪控制结构图

图3 模糊控制器结构

2.1 模糊控制器的结构

MPPT模糊控制的关键在于模糊控制器的设计，其中确定模糊控制器的结构尤为重要，本课题选用又输入单输出的模糊控制器，如图3所示。

模糊控制器第n时刻的输入为第n时刻的功率变化值及第n-1时刻时的占空比变化值；第n时刻的输出值为第n时刻占空比变化值。

2.2 输入、输出量模糊子集及论域

2.3 确定隶属函数

本文选择三角形作为隶属函数，e（n），a（n-1），a（n）的隶属函数分别见图4-图6。

图4 e（n）的隶属函数

图5 a（n-1）的隶属函数

图6 a（n）的隶属函数

图8 太阳能光伏发电最大功率跟踪matlab仿真图

图9 输出功率的波形

2.4 模糊规则的确定

本文中采用mamdani推理，采用If…Then…的语言规则，这些规则由该领域具有丰富经验的专家所建立，其基本原则如下：

（1）第n时刻测量出的输出与第n-1时刻的输出功率比较，如果输出功率增加，则继续原来的步长调整方向，否则取相反方向。

（2）离最大功率点较远处，采用大步长，以加快跟踪速度；离最大功率点斩较近时，采用小步长，以减小振荡功率损失。

（3）当外界环境变化时，如光照温度条件变化，导致光伏阵列输出功率变化大时，系统应能快速反应。

由以上基本原则得出48条具体的规则，如图7所示。

图7 模糊控制规则

2.5 反模糊化设计

反模糊化的目的是为了把输出量由模糊值变成精确值。反模糊的方法有很多，常用的有重心法，系数加权平均法，中位数法等，本文采用重心法，其公式为：

3.仿真验证

如图5所示搭建matlab仿真电路，主电路为boost电路，MPPT控制模块由S函数搭建，光伏模块由M函数编写。设置仿真算法为：ode23tb，变步长，最大步长为1e-5s。

仿真效果图如图9所示。

通过以上实验，可以看出模糊控制法用于光伏系统，能快速精确的跟踪上最大功率点，验证了本算法的可行性及控制效果优良。

结论

本文结合太阳能最大功率跟踪原理，提出一种基于模糊控制的光伏系统最大功率跟踪算法，最后在matlab/Simulink软件环境下进行仿真，结果表明：模糊控制算法具有控制精确，响应快的特点。适用于阳光和温度突然变化的快速反应场合，对于持续变化的阳光也可稳定跟踪。

[1]张建坡,张红艳.光伏系统中最大功率跟踪算法仿真研究[J].计算机仿真,2010,1.

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[3]叶满园,官二勇,宋平岗.以电导增量法实现MPPT的单级光伏并网逆变器[J].电力电子技术,2006,6.

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赖东升（1987—），男，江西赣州人，华南理工大学电力学院在读硕士研究生，研究方向：电力电子电路的建模与控制。