基于模糊控制的太阳能光伏发电系统的MPPT研究

黄 倩,邓 亮,唐 忠

(上海电力学院 电气工程学院,上海 200090)



基于模糊控制的太阳能光伏发电系统的MPPT研究

黄 倩,邓 亮,唐 忠

(上海电力学院 电气工程学院,上海 200090)

摘 要:将太阳能光伏发电系统作为研究对象,以跟踪太阳能电池的最大功率为目标,在Matlab环境下,利用Simulink仿真技术,建立仿真模型,对太阳能光伏发电系统的MPPT进行研究.阐述了模糊控制法的基本原理,分别验证了环境条件的改变引起的功率变化.介绍了扰动观察法和电导增量法两种经典方法,比较这三种方法的实验结果,可以证明模糊控制法具有较好的动态和稳态性能.

关键词:光伏发电; 最大功率点跟踪; 模糊控制

引言

目前,人类主要利用的能源是化石能源,如煤碳、石油、天然气等.随着人口增长,经济不断发展,化石能源的持续消耗,导致能源紧缺、环境污染问题日益严重,人们开始更多地关注清洁的可再生能源.太阳能清洁无污染、而且可以长期利用,是宝贵的可再生能源.因此,太阳能的利用具有巨大的市场潜力,不应忽视.太阳能光伏发电是新能源研究的热点之一,逐渐成为利用太阳能的主要方式.太阳能光伏发电产业正在快速发展,深入探索光伏发电基本理论,掌握光伏发电领域的先进技术,对社会发展具有重要意义.

1　建立太阳能光伏发电系统仿真模型

光伏发电系统一般是基于经验公式设计的,为了对其进行验证和优化,需要建立适用于工程设计应用的仿真模型.由于太阳能电池阵列是光伏发电系统的核心部件,所以在光伏发电系统中对太阳能电池阵列的仿真模型研究至关重要.以厂家提供的多晶硅太阳能电池标准为参考,在光伏电池模型的基础上,利用Simulink建立光伏电池仿真模型.在太阳光强(S)1000W/m2,电池温度(T)25℃的测试条件下,光伏电池电气参数如下:

短路电流(Isc): 8.5A; 开路电压(Voc): 170V; 最大功率点电流(Im): 8A; 最大功率点电压(Vm): 140V.建立仿真模型如图1所示.

图1 光伏组件仿真模型

为光伏电池模块输入不同的光照强度和温度,可获得不同条件下的I-V曲线、P-V曲线,如图2所示.

图2 光照和温度对太阳能电池的影响

从太阳能电池的输出特性曲线可以分析出太阳能电池电流、电压、最大功率的变化规律,以及太阳能电池最大功率点随外界环境变化而变化.

由等效电阻变换可知:

其中R′为boost电路等效输入阻抗,D为开关占空比,RL为负载阻抗.

由此可以得出,开关占空比越大,boost电路等效输入阻抗就越小.通过调整开关占空比,在输入阻抗与光伏输出阻抗匹配时,光伏电池将达到最大的输出功率.建立仿真模型如图3所示.

建立太阳能光伏发电仿真系统,如图4所示.负载取100Ω,开关占空比D变化时,光伏电池模块输出特性如图5所示.

图4 太阳能光伏发电系统mppt仿真模型　

图5 太阳能光伏发电系统P-D曲线

从图5中可以发现,D大约为0.58时达到最大功率.

2　太阳能光伏发电系统最大功率点追踪控制算法的研究

根据以下步骤设计模糊控制器:

(1)输入输出变量确立.利用模糊自寻优控制器,建立第n时刻的输入量、输出量与占空比步长值的关系;

(2)推理规则确立.见表1;

(3)隶属度函数确立.如图6所示;

(4)解模糊方法确立.模糊决策选择Mamdani推理算法,采用重心法作为解模糊方法.

表1 最大功率点跟踪模糊控制表

图6 模糊控制的隶属度函数图

建立模糊控制法的仿真电路,如图7所示.

图7 模糊控制实现MPPT仿真电路

为了比较模糊控制器的控制效果,还建立了另外两种经典算法的仿真模型,如图8、图9所示.

图8 扰动观察法仿真电路

在S = 1000W/m2,T = 25ºC,负载取100Ω时,通过仿真分析,三种方法控制效果对比如图10所示.

图10 三种算法控制量D与输出值P的比较

3　结论

通过仿真比较,可以看出在特定的光照强度和工作温度下,三种算法都能实现光伏阵列的最大功率点跟踪.从控制量占空比D的比较可清晰的看出模糊控制法稳态时的波形较稳定,比两种经典方法的稳态性能好.从被控量P的比较可看出,模糊控制法可以更快地追踪到最大功率点,动态性能优于前两者.综上所述,模糊控制具有更好的动态和稳态性能,体现了模糊控制的优越性.

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The Research of Photovoltaic Generation Systems Combining MPPT Control Method Based on Fuzzy Control

HUANG Qian,DENG Liang,TANG Zhong
(College of Electrical Engineering,Shanghai University of Electrical Power,Shanghai 200090,China)

Abstract:The photovoltaic systems are discussed and analyzed,in order to obtain the maximum power of solar cells.And we take it as the goal that to track the maximum power of solar cell.The model of photovoltaic cells is established by using Simulink embedded function.The circuit model of Boost for research MPPT is abstracted.By the Combination of two models,photovoltaic system's basic MPPT principle was simulated.The three classical MPPT algorithms and the basic principle of fuzzy control are introduced.At the same time,the advantage,disadvantage and applications of P&O and ICA has been illustrated.We validate the changes of power caused by variations of atmosphere conditions simulation.Comparing the three methods in simulation,we can see that FC has better dynamic and static performances.

Key words:photovoltaic system,MPPT,fuzzy logic control

作者简介:黄 倩(1991−),女,湖南汨罗人,上海电力学院电气工程学院硕士研究生.主要研究方向: 电力系统及其自动化

收稿日期:2015-11-11

中图分类号:TM615

文献标识码:A

文章编号:1672-5298(2016)01-0048-06