仿真技術(shù)在光伏系統(tǒng)功率跟蹤中的應(yīng)用

張麗萍，朱堯富，馬立新

(1.臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子電氣工程系，浙江 臺(tái)州 318000；2.上海理工大學(xué) 電氣工程系，上海 200093)

浙江全省年日照時(shí)數(shù)達(dá)1 710～2 100小時(shí)，光照較充足。為促進(jìn)太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的推廣應(yīng)用，浙江省制定了百萬(wàn)屋頂發(fā)電計(jì)劃實(shí)施方案。為降低光伏發(fā)電系統(tǒng)造價(jià)，提高太陽(yáng)能利用率，就需要進(jìn)行太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)[1]。最大功率點(diǎn)跟蹤的方法有很多，如恒定電壓控制法、擾動(dòng)觀測(cè)法、導(dǎo)納增量法等[2-5]。為了充分發(fā)揮太陽(yáng)電池的發(fā)電能力，合理地處理控制精度與控制速度之間的矛盾并降低成本，本文在MPPT系統(tǒng)中引入了模糊控制策略。

模糊控制是利用人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)制定模糊規(guī)則，根據(jù)發(fā)電功率的實(shí)際變化信息，查詢(xún)模糊規(guī)則表，以決定變換器的占空比變化步長(zhǎng)，從而找到最大功率點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。本文利用Matlab軟件建立光伏電池模型并設(shè)計(jì)模糊控制器，進(jìn)行系統(tǒng)仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果證明這是一種可以降低能耗的最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法。當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)能夠迅速跟蹤并穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)，從而提高光伏系統(tǒng)發(fā)電效率。

1 光伏電池仿真模型

光伏電池相當(dāng)于具有與受光面平行的極薄PN截面的大面積二極管，其伏安特性受日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等外界因素影響，是一種典型的非線性元件。若考慮太陽(yáng)輻射變化和溫度影響，化簡(jiǎn)后光伏電池的工程用數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為[6-7]：

(1)

其中

(2)

(3)

DI=α·S/Sref·DT+(S/Sref-1)·Isc

(4)

DU=-β·DT-Rs·DI

(5)

DT=Tc-Tref

(6)

I、U分別為光伏陣列的電流、電壓；Isc為短路電流；Uoc為開(kāi)路電壓；Im、Um分別為最大功率點(diǎn)電流和電壓；α為參考日照下電流變化溫度系數(shù)(A/℃)；β為參考日照下電壓變化溫度系數(shù)(V/℃)；S為光伏陣列傾斜面上的總太陽(yáng)輻射強(qiáng)度(W/m2)；Sref、Tref為太陽(yáng)輻射和光伏電池溫度參考值(一般取1 000 W/m2，25 ℃)；Rs為光伏模塊的串聯(lián)電阻；Tc為環(huán)境溫度。

2）相較于多級(jí)、多效等具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的吸收式熱泵，最基本的單級(jí)AHT結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定且技術(shù)成熟，因此將其選為研究對(duì)象。

在Matlab仿真環(huán)境下，利用Simulink仿真工具，建立光伏電池的通用仿真模型。雙擊模型得到用戶(hù)交互界面，內(nèi)部包含Isc、Uoc、Im、Um、α、β、Sref、Tref、Rs共9個(gè)參數(shù)，通過(guò)改變參數(shù)設(shè)置，構(gòu)成不同I-U特性的光伏陣列。

本設(shè)計(jì)選用Siemens SP75電池組件，技術(shù)參數(shù)如表1所示，串聯(lián)電阻取0.55 Ω，仿真后得到標(biāo)準(zhǔn)情況下該光伏電池P-U、I-U特性曲線如圖1所示。

表1 Siemens SP75在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的參數(shù)

圖1 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下光伏電池特性曲線

從圖1可以看出，光伏電池的輸出呈非線性，且P-U曲線呈單峰狀，即輸出功率存在一個(gè)最大點(diǎn)。如果改變輸入環(huán)境溫度Tc或太陽(yáng)輻射強(qiáng)度S數(shù)值，光伏電池模塊的開(kāi)路電壓發(fā)生變化，而短路電流基本不變，當(dāng)溫度增加時(shí)，開(kāi)路電壓減小，最大功率也隨之減?。欢庹諒?qiáng)度的變化主要影響光伏電池模塊的短路電流，開(kāi)路電壓基本不變，當(dāng)光照強(qiáng)度增加時(shí)，短路電流減小，最大功率也隨之減小?？傊?，溫度和光照強(qiáng)度的變化都會(huì)導(dǎo)致光伏電池模塊的最大功率點(diǎn)發(fā)生漂移。

2 光伏系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤

一般光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。光伏陣列與負(fù)載通過(guò)DC/DC或者DC/AC變換器連接，因此改變變換器中功率開(kāi)關(guān)管的通斷時(shí)間，可以調(diào)節(jié)變換器的輸入輸出關(guān)系，從而達(dá)到最優(yōu)的阻抗匹配，使光伏電池輸出功率最大。MPPT實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)尋優(yōu)過(guò)程，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)，比較當(dāng)前發(fā)電功率與前一時(shí)刻發(fā)電功率大小的關(guān)系，判定工作點(diǎn)狀態(tài)，控制工作點(diǎn)向峰值點(diǎn)移動(dòng)。本設(shè)計(jì)直接把變換器的PWM信號(hào)占空比D作為控制參數(shù)，調(diào)整占空比,使當(dāng)前工作點(diǎn)逐漸向峰值功率點(diǎn)靠近，最后工作在峰值功率點(diǎn)附近。由于控制器只需要一個(gè)控制循環(huán)，從而降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度[8]。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 模糊控制器

3.1 模糊控制器組成

模糊控制屬于智能控制的范疇。與傳統(tǒng)的控制方式相比，智能控制最大的優(yōu)點(diǎn)是不依賴(lài)于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，非常適用于處理存在不確定性或高度非線性的問(wèn)題。由于光伏電池具有一定的非線性和時(shí)變性，無(wú)法建立精確的數(shù)學(xué)模型，將模糊控制應(yīng)用到光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT，必定能夠達(dá)到良好的控制效果。模糊自尋優(yōu)控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示[9-10]。

圖3 模糊控制器結(jié)構(gòu)圖

圖3中e(n)表示第n時(shí)刻與第n-1時(shí)刻輸出功率之差的實(shí)際值，E(n)表示e(n)對(duì)應(yīng)于模糊集論域中的值，a(n)表示第n時(shí)刻占空比步長(zhǎng)，A(n)表示這個(gè)步長(zhǎng)值對(duì)應(yīng)于模糊集論域中的值，D表示占空比值，Ka、Ke分別為比例因子和量化因子。

3.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

模糊控制器選擇二維結(jié)構(gòu)，取E(n)、A(n-1)為輸入，A(n)為輸出，經(jīng)過(guò)論域反變換得到第n時(shí)刻占空比變化的步長(zhǎng)值a(n)，第n時(shí)刻占空比為D(n)=D(n-1)+a(n)，以調(diào)節(jié)光伏電池輸出電壓。

E的模糊集為

{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}，即{負(fù)大，

負(fù)中，負(fù)小，負(fù)零，正零，正小，正中，正大}

A的模糊集為

{NB，NM，NS，PS，PM，PB}，即{負(fù)大，負(fù)中，

負(fù)小，正小，正中，正大}

它們對(duì)應(yīng)的論域均為{-6,6}，分別為14個(gè)和12個(gè)等級(jí)，即：

E={-6，-5，-4 ，-3，-2，-1，

-0，+0，1，2，3，4，5，6}

A={-6，-5，-4，-3，-2，-1，1，2，3，4，5，6}

選擇三角形作為隸屬度函數(shù)的形狀，通過(guò)對(duì)光伏電池輸出特性分析，在誤差較大時(shí)要盡快消除誤差輸出控制量，誤差較小時(shí)要防止產(chǎn)生超調(diào)輸出控制量，結(jié)合實(shí)際情況總結(jié)得到以下原則：

(1) 若輸出功率增加，則繼續(xù)原來(lái)步長(zhǎng)調(diào)整方向，否則取相反方向；

(2) 為了在短時(shí)間內(nèi)跟蹤最大功率且避免在最大功率點(diǎn)處振蕩，在離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)處，采用較大步長(zhǎng)以加快跟蹤速度；在最大功率點(diǎn)附近，采用小步長(zhǎng)以減小搜索損失；

(3) 當(dāng)達(dá)到以最大功率點(diǎn)為中心的極小區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)，直到外界環(huán)境發(fā)生變化為止；

(4) 當(dāng)溫度、日照強(qiáng)度等因素發(fā)生變化導(dǎo)致光伏電池輸出功率發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)能夠作出快速的反應(yīng)。

遵循上述原則，應(yīng)用IF A AND B THEN C的模糊規(guī)則建立控制規(guī)則表，如表2所示。

表2 MPPT模糊控制規(guī)則

4 系統(tǒng)仿真

4.1 仿真模型

根據(jù)Boost電路對(duì)阻抗的變換原則，Boost電路的等效輸入阻抗可用公式[11]表示：

Ro=(1-D)2RL+R1

(7)

其中，Ro為Boost電路負(fù)載的等效輸入阻抗；D為開(kāi)關(guān)占空比；RL為負(fù)載阻抗；R1為電感阻值，由于R1很小，可以忽略不計(jì)。

在Matlab/Simulink中搭建模糊控制算法仿真模型，如圖4所示。太陽(yáng)能電池采用已封裝好的模型PV，DC/DC變換電路根據(jù)式(7)Boost電路對(duì)阻抗變換規(guī)律寫(xiě)成一個(gè)函數(shù)形式,命名為Rchange，利用Embedded Matlab Function模塊嵌入仿真模型中。仿真條件為：負(fù)載電阻RL取100 Ω，仿真運(yùn)行時(shí)間2 s，傳輸延遲時(shí)間0.005 s，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，控制器量化因子Ke取1，比例因子Ka取0.005。

圖4 MPPT模糊控制算法仿真模型

4.2 仿真結(jié)果

環(huán)境溫度25℃，仿真開(kāi)始1 s后，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度從600 W/m2突然增加到1 000 W/m2，MPPT仿真曲線如圖5所示。為說(shuō)明跟蹤效果，將常用的功率跟蹤方法——擾動(dòng)觀察法(P&O)應(yīng)用于光伏組件最大功率點(diǎn)跟蹤，其中P&O法干擾值取0.01。通過(guò)仿真對(duì)比發(fā)現(xiàn)：兩種方法均能快速跟蹤系統(tǒng)最大功率點(diǎn)，但模糊控制效果明顯優(yōu)于P&O法(見(jiàn)表3)。溫度模糊控制跟蹤迅速，且在最大功率點(diǎn)處基本無(wú)波動(dòng)，具有良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。

圖5 光伏系統(tǒng)功率跟蹤曲線

表3 MPPT兩種控制方式下參數(shù)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)光伏電池組件的工程用數(shù)學(xué)模型，基于Simulink仿真工具建立仿真模型并封裝，通過(guò)組件參數(shù)和環(huán)境條件的設(shè)定，模型特性曲線的仿真結(jié)果與理論值一致。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用Matlab/Fuzzy工具箱進(jìn)行了模糊控制方法研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn):模糊控制可以快速響應(yīng)外界環(huán)境的變化，跟蹤光伏電池的最大功率點(diǎn)，并能明顯減小最大功率點(diǎn)附近的功率振蕩，提高光伏系統(tǒng)的效率。由于模糊控制本身具有魯棒性，因此在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)仍然具有較好的控制效果，完全適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT控制。

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