基于模糊控制-擾動(dòng)觀察法的光伏MPPT跟蹤技術(shù)

湯 洋，高仕紅，馬紫琬，陳 謙，黃 京，董岳昆

（湖北民族大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北恩施 445000）

引言

目前，國內(nèi)外能源危機(jī)日益突出，光伏發(fā)電技術(shù)因其無污染、干凈等優(yōu)點(diǎn)，成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)之一[1]。而光伏電池是光伏發(fā)電技術(shù)不可缺少的模塊。如何保證光伏電池始終以最大功率點(diǎn)工作，對(duì)提高光伏發(fā)電效率、節(jié)約成本等具有重大意義。對(duì)此，國內(nèi)外學(xué)者一直致力于研究光伏MPPT跟蹤技術(shù)。

常用的光伏MPPT跟蹤技術(shù)主要分為3種：恒定電壓法、導(dǎo)納增量法、擾動(dòng)觀察法等[2-4]。其中，基于擾動(dòng)觀察法的光伏MPPT跟蹤技術(shù)其輸出功率波動(dòng)較大，工作效率低。導(dǎo)納增量法不受系統(tǒng)環(huán)境的影響，但其跟蹤效率低。恒定電壓法原理簡單，容易實(shí)現(xiàn)，但是其MPPT的跟蹤精度低。對(duì)此，很多學(xué)者致力于研究改進(jìn)型算法和智能型算法[5-7]。有學(xué)者設(shè)計(jì)了可以在線擾動(dòng)優(yōu)化光伏MPPT的模糊控制器[8]。該控制方法利用模糊規(guī)則建立控制策略，具有一定的自適應(yīng)性。此外，有學(xué)者將基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用到MPPT跟蹤技術(shù)中[9,10]。經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法通過大量訓(xùn)練樣本，使得P-V曲線的非線性特性問題得以解決，但是該方法需要大量數(shù)據(jù)，可靠性差。

本研究建立了光伏電池輸出功率的數(shù)學(xué)模型，并將擾動(dòng)觀察法的簡潔性與模糊控制法的自適應(yīng)性相結(jié)合，提出基于模糊控制-擾動(dòng)觀察法的光伏MPPT跟蹤技術(shù)，來解決MPPT跟蹤精度低、自適應(yīng)能力差的的問題。最后通過Matlab仿真軟件，驗(yàn)證所提算法的可靠性。

1 光伏電池的數(shù)學(xué)模型

分析光伏電池的工作特建立數(shù)學(xué)模型，如圖1所示。獲取U-I間的關(guān)系，從而建立光伏電池輸出功率模型。

圖1 光伏電池等效電路模型

圖1中及式（1）中的符號(hào)說明見表1。

表1 光伏電池等效電路模型的符號(hào)說明

根據(jù)節(jié)點(diǎn)電流法，可以得到

根據(jù)式（1），求解可得光伏電池的輸出特性方程為：

實(shí)際上，參數(shù)Iph、Is、Rs、Rsh、A容易受外界因素的干擾，因此需要對(duì)光伏電池的輸出特性方程進(jìn)行簡化。由于Rsh＞＞Rs，則有Iph≈Isc，UD≈U。對(duì)此，光伏電池的簡化數(shù)學(xué)模型可以表示為：

式中：Im為等效模型的最大輸出電流，A；Isc為等效模型的短路電流，A；Um為等效模型的最大輸出電壓，V；Uoc為等效模型的開路電壓，V。

C1、C2表示修正系數(shù)。根據(jù)簡化后的數(shù)學(xué)模型，求解光伏電池的輸出功率模型P，具體如下：

2 基于模糊控制-擾動(dòng)觀察法的光伏MPPT跟蹤技術(shù)

2.1 建立模糊控制-擾動(dòng)觀察法的仿真模型

利用仿真軟件，搭建模糊控制-擾動(dòng)觀察法的模型，如圖2所示。

圖2 模糊控制-擾動(dòng)觀察法的光伏MPPT模型

（1）確定光伏MPPT模型的輸入輸出。通過搭建的模型，確定輸入輸出。實(shí)際中，模糊邏輯控制器存在誤差，輸入量的誤差用e表示，誤差變化率用Δe表示，其對(duì)應(yīng)的求解公式如公式（5）：

模糊控制器的控制變量是通過Boost電路的占空比D來決定的。設(shè)置輸入量的誤差e和誤差變化率Δe的模糊論域?yàn)閇-5，5]，控制量均用7個(gè)模糊子集表示，具體如下：

（2）建立光伏MPPT模型的隸屬函數(shù)。根據(jù)光伏電池特點(diǎn)，選擇較為平緩的梯形三角函數(shù)的形狀作為MPPT模型的隸屬函數(shù)，具體如圖3所示。

圖3 隸屬度函數(shù)的形狀

（3）建立控制策略。

①當(dāng)e＞0，且Δe＜0時(shí)，新步長增加不明顯。此時(shí)，應(yīng)該利用小擾動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)，通過降低電壓保證功率能夠向左移動(dòng)；

②當(dāng)e＞0，且Δe＜＜0時(shí)，新步長為負(fù)值。此時(shí)，應(yīng)該繼續(xù)保持大擾動(dòng)跟蹤，通過降低電壓，保證功率能夠向左移動(dòng)；

③當(dāng)e＞0，且Δe＞＞0時(shí)，新步長為正值，且增長明顯，應(yīng)該繼續(xù)保持大擾動(dòng)跟蹤，應(yīng)該增加電壓，保證功率能夠向右移動(dòng)；

④當(dāng)e＞0，且Δe＞0時(shí)，新步長增加不明顯。此時(shí)，輸出值已接近最大功率點(diǎn)，通過采用小步長跟蹤調(diào)節(jié)，保證功率能夠向右移動(dòng)；

⑤當(dāng)e=0時(shí)，新步長不變化，輸出值即為最大功率時(shí)的電壓，不需要調(diào)節(jié)電壓。

3 PWM模塊及Boost變換器

3.1PWM模塊

PWM模塊的作用為：把MPPT控制模塊的輸出值轉(zhuǎn)換為輸入量。PWM模塊如圖4所示。

圖4 PWM模塊

3.2 Boost變換器

圖5為Boost變換器的仿真電路。其中，Vg表示輸入直流電源；U0表示輸出電壓。

圖5 Boost變換器的仿真模型

輸入電壓與輸出電壓間的關(guān)系為：

4 基于Matlab/Simulink的MPPT算法仿真比較

對(duì)所提出的跟蹤技術(shù)進(jìn)行仿真，仿真模型如圖6所示。

圖6 仿真模型

為了驗(yàn)證所提出的跟蹤技術(shù)的可靠性，對(duì)擾動(dòng)法的光伏MPPT跟蹤技術(shù)進(jìn)行了仿真。兩種跟蹤技術(shù)的實(shí)驗(yàn)條件均相同。其中，光照強(qiáng)度：1 000 W/m2；環(huán)境溫度：25℃。設(shè)置兩種方法的仿真時(shí)間為0.4 s。圖7為兩種方法下的光伏MPPT模型的輸出電流對(duì)比圖；圖8為兩種方法下的光伏MPPT模型的輸出電壓對(duì)比圖。

圖7 光伏電池輸出電流對(duì)比圖

圖8 光伏電池輸出電壓對(duì)比圖

從仿真結(jié)果可知，采用傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法，輸出的電流、電壓的振蕩幅度較大，此方法受振蕩的影響；采用模糊控制-擾動(dòng)觀察法的MPPT控制方法輸出的電壓、電流基本上不受振蕩的影響。

通過建立的數(shù)學(xué)模型，采用上述兩種方法進(jìn)行仿真，將兩種方法進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示。

圖9 光伏電池輸出功率對(duì)比圖

采用傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法需要經(jīng)過0.2 s，才使得光伏MPPT模型的輸出功率趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的輸出功率波動(dòng)范圍為[5.4×104，6.5×104]（單位為W），而且此方法的輸出功率振蕩特征明顯；而采用模糊控制-擾動(dòng)觀察法的MPPT控制方法僅需0.592×10-3s，就能保證光伏MPPT模型的輸出功率趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的輸出功率波動(dòng)范圍為[5.983×104，5.997×104]（單位為W）而且此方法的輸出功率基本上不受振蕩的影響，極大地縮小了搜索到最大功率點(diǎn)附近的跟蹤時(shí)間，具有更好的自適應(yīng)性。

5 結(jié)論

研究所提出的算法跟蹤精度高，能準(zhǔn)確跟蹤點(diǎn)MPPT，受振蕩的影響較小，且自適應(yīng)能力強(qiáng)，提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率。