基于光伏系統(tǒng)負載變化的一種模糊MPPT方法

李紹武，馬曉紅，龍　洋，徐　超，田棟文

(1.湖北民族學院科技學院 信息工程系，湖北 恩施 445000;2.湖北民族學院科技學院 經(jīng)濟與管理系，湖北 恩施 445000)

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基于光伏系統(tǒng)負載變化的一種模糊MPPT方法

李紹武1，馬曉紅2，龍洋1，徐超1，田棟文1

(1.湖北民族學院科技學院 信息工程系，湖北 恩施 445000;2.湖北民族學院科技學院 經(jīng)濟與管理系，湖北 恩施 445000)

摘要：在負載快速變化時，為了保證光伏(photovoltaic，簡稱PV)系統(tǒng)獲得較好的最大功率跟蹤(maximum power point tracking，簡稱MPPT)速度，提出了一種基于負載變化的MPPT控制方法.該方法中，將負載的變化量作為了模糊控制器的輸入信號，以提高尋優(yōu)步長對負載變化的自適應能力.最后仿真實驗表明：在負載快速變化的情況下，該模糊控制方法具有比傳統(tǒng)擾動觀察法更好的MPPT暫態(tài)性能.

關鍵詞：光伏系統(tǒng)；MPPT；模糊控制

采用MPPT控制技術是提高光伏系統(tǒng)能源利用效率的最有效手段之一.傳統(tǒng)的MPPT控制方法中，以恒定電壓法[1]、擾動觀察法[2]、電導增量法[3]、智能控制法[4-6]、可變天氣參數(shù)法[7]等為主.而它們中，又以擾動觀察法和模糊控制法[8-13]的實際應用最廣.本文以傳統(tǒng)模糊控制方法為基礎，針對光伏系統(tǒng)負載多變的情況進行專門設計，提出一種基于負載變化的模糊MPPT控制方法.而且仿真實驗證實：該模糊控制方法具有比傳統(tǒng)擾動觀察法更好的MPPT快速性性能.

圖1　具有MPPT功能的光伏系統(tǒng)結(jié)構圖Fig.1　Configuration diagram of PV system with MPPT function

1負載變化時的光伏系統(tǒng)MPPT分析

1.1具有MPPT功能的光伏系統(tǒng)結(jié)構

基于MPPT控制的光伏系統(tǒng)典型結(jié)構如圖1所示[14].此時，采用基本Buck型DC/DC轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)MPPT功能.圖1中V、I、V0和I0分別表示DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓、輸入電流、輸出電壓和輸出電流；S、L、D分別表示半導體開關管、電感和快恢復二級管；C1和C2均表示電解電容；RL表示負載或者等效負載；PWM表示控制開關管的脈寬調(diào)制信號，其占空比用D表示；另外圖1中虛線表示采樣信號和控制信號.

對于圖1所示的光伏系統(tǒng)，MPPT控制器的主要功能是實現(xiàn)光伏系統(tǒng)的模糊MPPT控制，其輸入信號為輸出電壓值V0和輸出電流值I0的檢測值.當負載快速變化時，可以通過這些輸入信號計算負載(或等效負載)RL和計算實時輸出功率P0，它們則作為模糊控制的兩個輸入信號.

圖2　負載變化對光伏系統(tǒng)Po-D曲線的影響Fig.2　Effect of variable load to Po-D curve of PV system

ΔDΔP0PBPZPSZENSNZNBΔRLPBPBPBPBPBPZPSZEPZPBPBPBPZPSZENSPSPBPBPZPSZENSNZZEPBPZPSZENSNZNBNSPZPSZENSNZNBNBNZPSZENSNZNBNBNBNBZENSNZNBNBNBNB

1.2負載變化對MPPT控制的影響

在將RL值作為模糊控制器的輸入信號前，必須研究控制信號隨RL變化的規(guī)律，以便制定相應的控制對策.這里，在理想情況下采用Matlab仿真軟件繪制光伏系統(tǒng)的輸出功率-占空比曲線(P0-D曲線)如圖2所示，其中圖2顯示的是標準測試條件(太陽輻照度為1 000W/m2，溫度25℃)下光伏系統(tǒng)在RL分別取0.1、0.5、1和2 Ω時的P0-D變化曲線；光伏電池采用“四參數(shù)”模型[15]且4個參數(shù)分別取Im=8.58 A、Isc=6.18 A、Vm=17.5 V和Voc=22V.

從圖2可以看出：在理想情況下，輸出功率值始終保持在150 W左右不變，即理想情況下的輸出功率值不受負載變化的影響；當采用Buck電路實現(xiàn)MPPT功能時，最大功率點(簡稱MPP)處的占空比Dmax會隨著負載RL值的增加而增加，或者隨著負載RL值的減小而減??；Dmax的變化量與負載的變化量有關.

2模糊控制器的設計

采用圖1所示的光伏系統(tǒng)實現(xiàn)模糊MPPT控制時，模糊控制器的輸入量設計為輸出功率的變化量ΔP0和負載變化量ΔRL，輸出量設計為PWM波占空比的變化量ΔD.這里，采用Matlab軟件的專用設計工具實現(xiàn)模糊控制器的整個設計，設計過程中的各種參數(shù)設置分別如圖3～6所示，而模糊控制規(guī)則如表1所示，其中圖3～4分別表示模糊控制器的輸入變量和輸出變量的隸屬度函數(shù)曲線；圖5和圖6分別表示模糊控制器的控制規(guī)則和參數(shù)設置.

圖3　ΔPo的隸屬度函數(shù) 圖4　ΔRL的隸屬度函數(shù) 圖5　ΔD的隸屬度函數(shù)曲線 圖6　模糊控制器的參數(shù)設置

從模糊控制器的整個設計過程可以看出：第一，模糊控制器仍然采用最簡單結(jié)構以減少設計周期并降低硬件成本；第二，光伏系統(tǒng)的負載變化量作為模糊控制器的輸入?yún)?shù)以極大程度地提高負載快速變化時最大功率跟蹤步長的自適應能力.

3仿真實驗

搭建圖1所示的光伏系統(tǒng)進行實驗，以對比光伏系統(tǒng)分別采用本文所提模糊控制法和傳統(tǒng)擾動觀察法時的MPPT性能.實驗中假設負載按圖7所示規(guī)律變化，此時兩種MPPT方法的輸出功率曲線如圖8所示.實驗中，光伏電池參數(shù)取值與1.2節(jié)相同；Buck電路中，MOSFET管、快恢復二極管、線性電感(取1.2 mH)和電解電容(取2 200 μF)均為理想元器件；擾動觀察法的MPPT步長假設為0.003.

從圖8可以看出：采用本文提出的模糊控制法時，輸出功率在三個時間段的調(diào)節(jié)時間分別是86、47和30 ms；相比之下，采用傳統(tǒng)擾動觀察法時分別為143、89和57 ms.對比實驗結(jié)果可以得出結(jié)論：在負載快速變化時，本文提出的模糊控制法有比擾動觀察法更好的MPPT自適應性能.

圖7　仿真實驗中的負載變化曲線 圖8　兩種MPPT方法的輸出功率對比曲線Fig.7　Changing load curves in the simulation experiment Fig.8　Output power curves of two MPPT methods

4結(jié)論

本文針對光伏系統(tǒng)負載快速變化的情況，提出了一種模糊MPPT控制方法.該方法在傳統(tǒng)模糊控制器的基礎上增加了負載變化量為輸入信號，提高了負載變化時最大功率跟蹤步長的自適應能力.最后通過仿真實驗證實：本文所提MPPT方法有比傳統(tǒng)擾動觀察法更好的MPPT暫態(tài)性能.

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責任編輯：時凌

An MPPT Method Based on Changing Load of PV System

LI Shaowu1，MA Xiaohong2，LONG Yang1，XU Chao1，TIAN Dongwen1

(1.Department of Information Engineering，Science and Technology College of Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China；2.Department of Economic and Management，Science and Technology College of Hubei University for Nationalities，Enshi 445000,China)

Abstract：To improve the MPPT rapidity of PV system with the load changing，in this paper we propose，a fuzzy MPPT control method. In this method，the measured value of changing load is used as the input of the fuzzy controller to improve the adaptbility of tracking step size. Finally，a simulation experiment is conclucted and the experimental results verify that the MPPT rapidity of proposed MPPT method is better than conventional P&O method.

Key words：PV system；MPPT；fuzzy control

收稿日期：2015-11-18.

基金項目：湖北省教育廳科研指導性項目(B2015111).

作者簡介：李紹武(1979- )，男(土家族)，博士，講師，主要從事新能源發(fā)電控制與優(yōu)化的研究.

文章編號：1008-8423(2016)01-0054-03

DOI:10.13501/j.cnki.42-1569/n.2016.03.014

中圖分類號：TM61

文獻標志碼：A