基于模糊控制的光伏電池MPPT的設計方案

隨著全球能源緊張問題的日益嚴重，再生能源正得到越來越廣泛的應用。近年來，光伏能源以其具有無污染，可長期使用等優(yōu)點，得到了很大的發(fā)展。一般光伏系統(tǒng)都希望光伏電池陣列在同樣日照、溫度的條件下輸出盡可能多的電能，即在理論上和實踐上提出了光伏電池陣列的最大功率點跟蹤(Maximum Power。Point Tracking，MPPT)問題。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中由于陣列的功率等級一般較大，因此MPPT問題顯得尤為重要。故利用智能控制方法上的智能性、自適應性來對非線性的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)進行控制，無疑是一個很好的選擇。

光伏電池的最大功率點

從圖1中可以看出，在一定的光照強度與溫度下，光伏電池輸出曲線上都可以找到一個最大的功率輸出點Pm，如果可以使光伏電池時工作在最大功率點，就可以極大地提升光伏電池的效率，故應尋找其最大功率點，即尋優(yōu)。

MPPT控制的原理與設計

MPPT控制的原理實質(zhì)上是一個動態(tài)自尋優(yōu)過程，通過對光伏電池當前輸出電壓與電流的檢測，得到當前電池輸出功率，將其與前一時刻功率相比較，然后根據(jù)功率與占空比的關(guān)系，改變占空比，使其向最大功率點不斷靠近，如此反復，直至達到最大點附近的一個極小區(qū)域內(nèi)。當外界光照強度與溫度發(fā)生明顯改變時，系統(tǒng)會進行再次尋優(yōu)。

從圖2可知，改變脈寬調(diào)制信號(Pulse Width Modulation，PWM)的占空比D，實質(zhì)上是改變了光伏電池的負載。也即使光伏電池的輸出功率點發(fā)生改變，從而達到尋找最大功率點的目的。

光伏電池的負載RL與負載R和占空比D的關(guān)系式為：

RL=R/D

MPPT控制器通過調(diào)整PWwM信號的占空比D，來改變光伏電池的負載，從而實現(xiàn)阻抗匹配的功能。因而，占空比D的大小決定了光伏電池輸出功率P的大小，一般光伏逆變器的P-D關(guān)系如圖3所示。

國內(nèi)外的一些光伏發(fā)電系統(tǒng)對光伏電池的最大功率跟蹤控制，一般提出過多種方法，如定電壓跟蹤法、擾動觀察法、功率回授法和增量電導法等，這些算法的不足在于：未說清從一個最大功率點怎樣跟蹤到下一個最大功率點;計算量很大，實現(xiàn)較困難;控制精度差，受外在影響大。本文提出的設計方案進行最大功率點跟蹤，可彌補以上不足之處。

模糊控制器設計

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，使用模糊邏輯對系統(tǒng)的輸入和輸出進行設計，可以得出一系列控制規(guī)則，可以由微機十分簡明地實現(xiàn)。

確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)

MPPT控制設計，其關(guān)鍵是模糊控制器的設計。選用雙輸入單輸出模糊控制器，模糊控制器的第n時刻輸入量，為第n時刻的功率變化量△P(n)和功率變化率;第n時刻的輸出量為第n+1時刻的占空比改變量△D(n+1)，大小在[0，1]間變化。其中功率變化量△P(n)=P(n)-P(n-1)，功率變化率用△P(n)/△D(n)代替計算。

確定輸入、輸出量模糊子集及論域

△P(n)的模糊集為E，△P(n)/△D(n)的模糊集為EC，△D(n)的模糊集為U。

將語言變量E和U，定義為7個模糊子集，EC定義為6個模糊子集，即：

其中：NB，NM，NS，NO，ZO，PO，PS，PM，PB分別表示負大，負中，負小，負零，零，正零正小，正中，正大等模糊概念。將E，U的論域規(guī)定為15個等級，將EC的論域規(guī)定為12個等級，即：

確定模糊控制規(guī)則

根據(jù)功率值的變化量，來決定這一時刻的占空比改變量。通過對光伏電池輸出功率P與占空比D之間的特性曲線分析，并且考慮到外界環(huán)境因素(溫度、日照強度)對光伏電池輸出功率的影響得到以下原則：

(1)若輸出功率增加，則繼續(xù)原來改變量調(diào)整方向，否則取相反方向;

(2)離最大功率點較遠處，采用較大改變量以加快跟蹤速度;離最大功率點附近，采用較小改變量進行搜索以減小搜索損失;

(3)當達到以最大功率點為中心的極小的ZO區(qū)域時，系統(tǒng)穩(wěn)定下來，直至外界環(huán)境再次發(fā)生明顯變化

(4)當溫度、日照強度等因素發(fā)生變化導致光伏電池輸出功率發(fā)生明顯變化時，系統(tǒng)能夠作出快速的反應，進行再次尋優(yōu)。