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基于模糊控制法的最大功率点跟踪研究

时间:2015-09-24  作者:刘洋 王征 刘有昌

【摘要】:针对光伏发电系统的最大功率点跟踪原理进行分析和阐述,介绍了几种传统的最大功率跟踪方法的缺点,本文在分析光伏电池特性的基础上,对几种传统的最大功率跟踪方法进行了介绍,提出了基于模糊控制理论的最大功率点跟踪法,并与扰动观测法进行了对比和分析,证明模糊控制算法具有更好的系统响应特性和稳态特性。
论文关键词:光伏发电,最大功率点跟踪,模糊控制

1 光伏电池特性分析

太阳能电池的基本特性可以用电流和电压的关系曲线来表征,电流、电压之间的关系自然又是通过其他一系列参变量来表征,特别是和投射于太阳能电池表面的日照强度有关,当然也和太阳能电池的温度以及光线的光谱特性等有关。光伏电池的输出电流与输出电压的关系可以由如下公式来表达:

最大功率点跟踪 (1)

式中:I—光伏电池的输出电流(A);V:光伏电池板的输出电压(V);q:一个电子所含的电荷量(l.6x10-19C);k为波尔兹曼常数(l.38×10-23J/K);T:光伏电池板表面温度(K);n:光伏电池板的理想因数(n=1-5);I0:二极管饱和电流。

在Matlab中根据上述公式可以建立光伏电池的仿真模型,光伏电池的matlab仿真模型如图1所示:

基于模糊控制法的最大功率点跟踪研究

图1 光伏电池的matlab仿真模型

根据光伏电池的matlab仿真模型可以绘制出不同辐照度和不同温度条件下的I-V、P-V曲线如图2所示。其中图(a)、图(c)标注为辐照度,单位为W/m2;图(b)、图(d)标注为阵列表面温度,单位为℃。

模糊控制

图2 光照和温度对太阳能电池的影响

从图2四组特性曲线可以看出辐照度主要影响太阳光伏电池的短路电流,而温度则影响太阳能电池的开路电压,在一定的光照和温度条件下,太阳能光伏电池存在单峰值最大功率。

2几种传统的最大功率跟踪方法

2.1恒定电压法

恒定电压法(Constant Voltage method,CV)在太阳能电池温度变化不大时,太阳能电池的输出P—V 曲线上的最大功率点几乎分布于一条垂直直线的两侧。因此,若能将太阳能电池输出电压控制在其最大功率点时的电压处,这时太阳能电池将工作在最大功率点。恒定电压法特点是:检测参数少、对硬件电路的要求低、实现比较容易,但是跟踪控制的效率差、仅适用于小功率发电设备中。

2.2扰动观察法

扰动观察法(Perturb and Observe method,PO)是通过对系统的输出电压、电流或PWM信号上叠加一个或正或负的扰动,在跟踪控制过程中,通过不间断地比较系统的输出功率值来判断所受的扰动是增强型的还是削弱型的,进而对控制PWM脉冲信号进行调节,实现最大功率跟踪控制。扰动观察法的特点是:实现起来比较容易,但是在最大功率点附近的波动现象会影响系统的输出,特别是在天气状况恶劣的情况下,甚至于不能实现系统的最大功率跟踪控制。

2.3电导增量法

电导增量法(Incremental Conductance method,IC)是根据光伏电池的输出特性中电压和功率的关系实现控制的。电导增量法的特点:实现起来比较容易,而且与扰动观察法相比,在最大功率点附近没有较大的波动现象,但此方法在实践中对硬件的要求较高,不仅系统成本增加,最大功率跟踪控制调节的周期也会增加,影响了控制的时实性,如果在环境恶劣、天气情况多变的情况下是不太适合使用的。

3 模糊控制法

模糊逻辑控制的MPPT方法是基于光伏电池温度与负载情况的变化、辐照度的不确定性以及光伏电池输出特性的非线性特征而提出的[2]。为实现MPPT控制,模糊控制系统将采样得到的数据经过运算,判断出工作点与最大功率点之间的位置关系,自动校正工作点电压值,使工作点趋于最大功率点。

3.1 模糊控制器的输入和输出变量

定义模糊逻辑控制器的输出变量为工作点电压的校正量,输入变量则分别为光伏电池P-V特性曲线上连续采样的两点连线的斜率值E以及单位时间斜率的变化值CE,即

最大功率点跟踪 (2)

模糊控制 (3)

其中,分别为光伏电池的输出功率及输出电压的第k次采样值。显然,若光伏发电,则表明光伏电池已经工作在最大功率输出状态。

3.2 模糊化

将模糊集合论域分别定义为5个模糊子集,即

E={NB,NS,ZE,PS,PB};CE={NB,NS,ZE,PS,PB}

其中,NB,NS,ZE,PS,PB分别表示负大,负小,零,正小,正大。

根据光伏系统特征,采用均匀分布的三角形隶属度函数来确定输入变量(E和CE)和输出变量()不同取值与相应语言变量之间的隶属度。如图3所示,E﹑CE﹑中任一变量的隶属度函数图相同。

最大功率点跟踪

图3 隶属度函数示意图

3.3 模糊推理运算

模糊逻辑控制器的作用是调节控制信号使光伏系统工作在最大功率输出状态。对图4所示的光伏电池P-V特性曲线进行分析,可以得出MPPT的逻辑控制规则,即:当光伏发电模糊控制时,P由左侧向靠近;则应为正,以继续靠近最大功率点;当最大功率点跟踪基于模糊控制法的最大功率点跟踪研究时,P由左侧远离;则应为正,以靠近最大功率点;当最大功率点跟踪最大功率点跟踪时,P由右侧向靠近;则应为负,以继续靠近最大功率点;当光伏发电基于模糊控制法的最大功率点跟踪研究时,P由右侧远离;则应为负,以靠近最大功率点;

基于模糊控制法的最大功率点跟踪研究

图4 MPPT的逻辑控制规则示意

由MPPT的逻辑控制规则,可以得到表1所示的模糊控制规则推理表,该表反映了当输入变量E和CE发生变化时,相应输出变量的变化规则。由此即得出对应的语言变量。

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