基于模糊PI控制器的改進(jìn)MPPT算法

詹俊男，白 迪

(沈陽工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

隨著全球環(huán)境惡化以及傳統(tǒng)發(fā)電日漸顯現(xiàn)出弊端，微電網(wǎng)技術(shù)的需求逐漸提高。分布式電源(distributed generation，DG)在微網(wǎng)中分布廣泛，主要有儲能、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、柴油發(fā)電機(jī)等。其中光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電的輸出功率極易受外界因素影響，功率輸出隨機(jī)，不能滿足電網(wǎng)頻率和電壓的穩(wěn)定性；光伏電源與儲能屬于直流電源，并網(wǎng)時只能依賴于橋式逆變器；柴油發(fā)電機(jī)的能量來源于柴油，經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性差。微網(wǎng)中光伏電源應(yīng)用最為廣泛，所以為提升光伏電源的輸出效率，需要對其控制方式等進(jìn)行優(yōu)化。

1 研究背景及意義

DG是指靠近負(fù)荷端，功率由幾kW到幾十MW的小型發(fā)電機(jī)組。分布式發(fā)電是可滿足用戶的各種特殊需求，還能加大配電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)型系統(tǒng)。其相對于傳統(tǒng)大型發(fā)電廠而言，靈活性更強(qiáng)；但是分布式發(fā)電功率的隨機(jī)波動性很強(qiáng)，并且還存在著較弱的故障穿越能力。IEEE P1574標(biāo)準(zhǔn)指出，若電力系統(tǒng)發(fā)生故障，分布式電源必須立刻退出運(yùn)行[1]。為解決此問題并將DG的優(yōu)勢發(fā)揮到最大，電力部門提出了微電網(wǎng)概念。微電網(wǎng)是由DG、儲能裝置、電力電子監(jiān)控保護(hù)裝置等組成的，可與外界電力網(wǎng)連接或孤島運(yùn)行的能夠自我控制管理的小型電力網(wǎng)[2]。按調(diào)頻特性來分類，DG可分為有差調(diào)頻電源、無差調(diào)頻電源和無調(diào)頻電源。一般情況下，無調(diào)頻包括風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電，典型的有差調(diào)頻電源是采用下垂控制并以逆變器作為并網(wǎng)接口的儲能電源。儲能電源具有響應(yīng)速度快的功率特性，比較適合負(fù)荷頻繁變化的工作狀況；無差調(diào)頻電源有較為穩(wěn)定的頻率，例如柴油發(fā)電機(jī)和以恒壓恒頻控制方式的分布式電源。其中無調(diào)頻電源必須與有差調(diào)頻電源和無差調(diào)頻電源混合使用，不許單獨(dú)運(yùn)行；有差調(diào)頻電源和無差調(diào)頻電源雖然都有支持電網(wǎng)的作用，但是一般情況下兩者混合工作時的工作方式不是很理想，在維持電網(wǎng)的頻率時，無差調(diào)頻電源先進(jìn)行出力，當(dāng)?shù)竭_(dá)無差調(diào)頻電源的頻率輸出上限時，負(fù)荷才能轉(zhuǎn)移到有差調(diào)頻電源上由其進(jìn)行補(bǔ)償，二者無法進(jìn)行協(xié)調(diào)工作來應(yīng)對突變負(fù)荷[3]。

2 光伏電源的建模與控制

太陽能資源豐富、采用便捷，光伏發(fā)電安全可靠，無污染，不消耗能源，方便維護(hù)。由于太陽能發(fā)電的便攜性和高效性，太陽能發(fā)電可應(yīng)對不同的地理環(huán)境并廣泛應(yīng)用于軍事作戰(zhàn)中[4]。

2.1 光伏電源的模型

光伏發(fā)電利用光電效應(yīng)，能量轉(zhuǎn)換過程簡單，沒有傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)等設(shè)備的機(jī)械部件，不存在機(jī)械損耗，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)80%左右[5-6]，不排放廢物產(chǎn)生噪聲等，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 Photovoltaic power generation system

圖2 光伏電源等效電路Fig.2 Equivalent circuit of photovoltaic power supply

太陽能電池板是光伏發(fā)電的最小單元，電池板可串聯(lián)或并聯(lián)在支架上形成光伏發(fā)電方陣。蓄電池是光伏發(fā)電的儲能單位，用來維持陰雨天等光照不充足時的系統(tǒng)供電。由于蓄電池的過充電和過放電都會對蓄電池的壽命造成損害，所以用來控制其充放電的控制器在含有蓄電池的光伏發(fā)電系統(tǒng)中必不可少；由于光伏發(fā)電的輸出功率受天氣、溫度等外界因素影響較大，只有在特定的某個電壓值下，光伏發(fā)電系統(tǒng)才會輸出最大的功率，所以為保護(hù)負(fù)荷和維持高效穩(wěn)定的電能輸出等，控制器的最大作用是追蹤光伏發(fā)電的最大功率輸出點(diǎn)。光伏電源的直/交流逆變器與其他DG的逆變器沒有本質(zhì)上的區(qū)別，因為太陽能的不穩(wěn)定性，逆變器一般采用恒功率控制。光伏發(fā)電的等效電路如圖2所示。

圖中：Iph為光生電流;Id為二極管的結(jié)電流；Rs為小于1 Ω的電阻；結(jié)電容Cj在分析中可不予考慮;Rsh為10 kV級的高阻值大電阻；a為二極管理想常數(shù)。由等效電路可推導(dǎo)出光伏電源的IV特性如下[7-8]：

圖3 光復(fù)電源的特性曲線Fig.3 Characteristic curve of photoelectric complex powersupply

圖3為光伏電源的IV、PV曲線，當(dāng)電壓較小時，電流保持恒定，隨著調(diào)節(jié)負(fù)載組件的電阻值增大，電壓不斷增大，光伏電源的輸出功率也逐漸增加。當(dāng)電壓增加到一定值時功率越過最大值，電壓快速下降，最后衰減到0。由于光伏電源的功率特性曲線為單峰曲線，所以有且僅有1個最大功率點(diǎn)。光伏電源的非線性特性也要求其存在一種使其始終工作在最大功率點(diǎn)的方法[9-12]。

2.2 光伏電源的控制

光伏電源最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)是一種自動尋優(yōu)的算法，此方法先將光伏組件輸出的電壓電流采樣輸入到MPPT控制器中，再由控制器內(nèi)存入的程序算法計算并控制光伏電源在最大功率點(diǎn)輸出的電壓和電流值[13]。

2.2.1 增量電導(dǎo)法

初始的MPPT算法受當(dāng)時傳感器、軟件等技術(shù)影響，從太陽能電池組的外特性發(fā)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)的電流和電壓與其對應(yīng)的開路電壓Uoc和短路電流Isc之間均成一定比例存在，并將這種比例關(guān)系稱為開路電壓比例系數(shù)法和短路電壓比例系數(shù)法，但是這兩種方法并不能找到真正的最大功率點(diǎn)。后來隨著電力電子器件技術(shù)的發(fā)展接踵出現(xiàn)了擾動觀察法、定電壓法、最優(yōu)梯度法等，這些方法能追蹤在光照條件改變下的最大功率點(diǎn)，但同時也有可能對環(huán)境變化誤動，使功率點(diǎn)震蕩，控制模式也較原始的MPPT技術(shù)復(fù)雜[13]。

增量電導(dǎo)法是一種可對光伏組件進(jìn)行漸進(jìn)式調(diào)整的控制方法，這種方法與上述方法相比的優(yōu)點(diǎn)在于不需要實時計算，并且靈敏度高，隨環(huán)境變化快。光伏太陽能電池陣列的輸出功率P、輸出電壓U和輸出電流I關(guān)系為P=UI。并且在最大功率點(diǎn)有如下關(guān)系[14-15]：

因此可推導(dǎo)出最大功率點(diǎn)應(yīng)滿足

圖4 增量電導(dǎo)法算法流程圖Fig.4 Flow chart of incremental conductance algorithm

圖4為增量電導(dǎo)法算法流程圖，圖中：Uk和Ik是太陽能電池陣列本次輸出的電壓、電流值，Uk-1和Ik-1是上一步輸出的電壓、電流值，U*為整流器的電壓參考值。增量電導(dǎo)法的跟蹤速度由步長決定:但是步長值過大時光伏輸出會在最大功率點(diǎn)附近振蕩，步長值過小時會降低光伏跟蹤的效率，所以增量電導(dǎo)法的工作重點(diǎn)和難點(diǎn)在于步長的選擇。由圖3可知光伏電源的功率曲線是一條單峰曲線，在峰值處dP/dU=0，即可得到[16-17]

式中G為電導(dǎo)，dG為其增量。由此，光伏電源的工作狀態(tài)可根據(jù)G+dG來判斷。由圖4可見，增量電導(dǎo)法的計算量較大。本文將增量電導(dǎo)法與PI控制法相結(jié)合，可大幅減少增量電導(dǎo)法的計算量。

2.2.2 PI控制器設(shè)計

在沒有加入PI控制器時，光伏電源的低頻段增益較小，進(jìn)而影響了系統(tǒng)的快速穩(wěn)定。為解決此問題，本文將PI控制器中加入模糊控制，提前將技術(shù)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場經(jīng)驗和PI參數(shù)等匯編為程序存入計算機(jī)中[18-19]。

模擬控制器的兩個輸入量分別為

式中：Pk為功率誤差;ΔP′k為誤差變化。經(jīng)過模糊控制器運(yùn)算后就可得出實時的ΔKp和ΔKi，從而加快PI控制器參數(shù)調(diào)整。

模糊自適應(yīng)的PI控制器結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，圖6為加入模糊PI控制器的增量電導(dǎo)法的算法流程圖。

圖5 模糊自適應(yīng)的PI控制器結(jié)構(gòu)Fig.5 Fuzzy adaptive PI controller structure

圖6 加入模糊PI控制器的增量電導(dǎo)法Fig.6 Incremental conductance method with fuzzy PI controller

與PI控制器相結(jié)合的增量電導(dǎo)法可提升傳統(tǒng)增量電導(dǎo)法的性能，提高運(yùn)算速度。結(jié)合PI控制器的增量電導(dǎo)法，將本次測量的電流電壓值與上一次的相減得到相應(yīng)的增量，再通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系式計算出增量電導(dǎo)dG。PI控制器有效地減小了靜差，使光伏模塊不在Pmax處振蕩。與傳統(tǒng)增量電導(dǎo)法相比，加入PI控制器之后運(yùn)算結(jié)構(gòu)簡單，實時性比較強(qiáng)，還具有步長自適應(yīng)調(diào)節(jié)的作用，解決了傳統(tǒng)算法選擇步長困難的問題。

2.2.3 仿真分析

為驗證PI控制器的可行性，本文利用Matlab模擬由PI控制器、光伏陣列和Boost電路組成的光伏發(fā)電系統(tǒng)，并根據(jù)光伏電源的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真。圖7為仿真電路的原理圖，其中光伏陣列用直流電源等效表示。

圖7 仿真電路原理圖Fig.7 Simulated circuit schematic diagram

分析圖7，光伏陣列的輸出電壓、電流經(jīng)檢測后送入MPPT功率控制器中，實現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。仿真條件為：占空比設(shè)為1，光伏陣列在25 ℃環(huán)境下光照強(qiáng)度200 W/m2時運(yùn)行10 s。由圖8所示仿真波形圖可看出，加入模糊PI控制器后的MPPT可更快速穩(wěn)定地找到最大功率點(diǎn)。

圖8 仿真波形圖Fig.8 Simulated waveform

圖9 陡增光照后的仿真波形圖Fig.9 Simulated waveform aftersteep illumination

為證明本文提出觀點(diǎn)的優(yōu)越性，在仿真過程中將光照強(qiáng)度增強(qiáng)為400 W/m2,仿真波形如圖9所示。由仿真波形可看出:加入了PI控制器的增量電導(dǎo)法與傳統(tǒng)方法相比，可以更快速穩(wěn)定地尋找最大功率點(diǎn)，即使環(huán)境突然改變時也有較好的適應(yīng)性。

3 結(jié)論

根據(jù)光伏電源的特性，為保護(hù)負(fù)荷和維持高效穩(wěn)定的電能輸出需尋找光伏電源的最大功率點(diǎn)，傳統(tǒng)策略中增量電導(dǎo)法存在選擇步長困難、計算量較大和實時性較差等缺點(diǎn)。本文基于增量電導(dǎo)法，在此方法中加入基于模糊控制的PI控制器，明顯縮短了最大功率點(diǎn)的追蹤時間，有較強(qiáng)的實時性，也在一定程度上解決了傳統(tǒng)增量電導(dǎo)法選擇步長困難的問題。