陳廣華 楊海柱

（河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454003）

1 引言

光伏發(fā)電具有無(wú)污染、無(wú)噪聲、取之不盡用之不竭等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到關(guān)注，在未來(lái)的供電系統(tǒng)中將占有重要的地位。制約光伏系統(tǒng)發(fā)展的主要因素是初期投資費(fèi)用和能量轉(zhuǎn)換效率。解決這些問(wèn)題必須提高光伏陣列的光電轉(zhuǎn)換效率和使其輸出功率最大化。

2 太陽(yáng)能電池陣列特性

（1）太陽(yáng)能電池的等效電路（見(jiàn)圖1）。

（2）太陽(yáng)能電池是一種光電轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體裝置，其產(chǎn)生的電壓和電流分別受溫度和光照強(qiáng)度的影響。當(dāng)受光照射的太陽(yáng)能電池接上負(fù)載時(shí)，光生電流流經(jīng)負(fù)載，并在負(fù)載兩端建立起端電壓。這時(shí)太陽(yáng)能電池的工作情況可用圖1所示的等效電路來(lái)描述。

圖1 太陽(yáng)能電池等效電路

（3）太陽(yáng)能電池的輸出功率

當(dāng)流進(jìn)負(fù)載R0的電流為I0，負(fù)載的端電壓為V0時(shí)，由太陽(yáng)能電池的等效電路圖可以得到如下的解

析式

式中，Ig為光生電流；Id為二極管飽和電流；q為電荷電量（l×10-19庫(kù)侖）；A為二極管因子；K為波爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23焦耳/度）；T 為開(kāi)氏溫度（K）；V0為電池的輸出電壓；I0為電池的輸出電流；Rs為等效串聯(lián)電阻；Rsh為等效并聯(lián)電阻。

且有輸出端電壓：V0=I0R0

可得太陽(yáng)能電池的輸出功率

當(dāng)負(fù)載R0從0變化到無(wú)窮大時(shí)，即可畫(huà)出如圖2所示的太陽(yáng)能電池負(fù)載特性曲線(xiàn)。

圖2 太陽(yáng)能電池的輸出特性

由上式和等效電路可知日照強(qiáng)度和電池結(jié)溫是影響太陽(yáng)能電池陣列功率輸出的最重要參數(shù)，圖 3表示出了太陽(yáng)能電池的溫度特性，如圖所示太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓隨溫度的升高而下降，短路電流隨溫度的升高而升高，電池的輸出功率總的來(lái)看隨溫度的升高而下降。

圖3 太陽(yáng)能電池的溫度特性

3 MPPT原理和控制算法

（1）MPPT原理

MPPT實(shí)質(zhì)上是一個(gè)尋優(yōu)過(guò)程，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏系統(tǒng)的輸出電壓和電流來(lái)確定當(dāng)前工作點(diǎn)與最大功率點(diǎn)的位置關(guān)系，然后控制電壓向最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓Vm靠近，直到到達(dá)峰值功率點(diǎn)為止。如果電壓繼續(xù)向原來(lái)方向變化會(huì)引起功率下降，則向反方向調(diào)整，最后可控制電壓在最大功率點(diǎn)附近一定范圍內(nèi)來(lái)回?cái)[動(dòng)。

（2）MPPT控制算法

常用的最大功率跟蹤控制算法有恒電壓跟蹤算法（CVT）、干擾觀(guān)察法（P&O）、增量電導(dǎo)法（IC）等。

CVT方式具有控制簡(jiǎn)單、可靠性高、穩(wěn)定性好、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但是光伏陣列最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓會(huì)隨環(huán)境溫度的變化而變化，對(duì)于四季溫差和日溫差環(huán)境較大的地區(qū)，該方法不能實(shí)時(shí)跟蹤光伏陣列的最大功率點(diǎn)。干擾觀(guān)察法（P&O）的原理是每隔一定時(shí)間增加或減少光伏陣列輸出電壓，并觀(guān)測(cè)之后其輸出功率變化方向，來(lái)決定下一步的控制信號(hào)。該方法雖然算法簡(jiǎn)單且易于硬件實(shí)現(xiàn)，但相應(yīng)速度較慢，跟蹤步長(zhǎng)的設(shè)定無(wú)法兼顧跟蹤精度和相應(yīng)速度，在特定情況下還會(huì)出現(xiàn)誤判，只適用于日照強(qiáng)度變化緩慢的場(chǎng)合。增量電導(dǎo)法（IC）是通過(guò)比較輸出電導(dǎo)的變化量和瞬時(shí)電導(dǎo)值的大小來(lái)決定參考電壓的變化方向。dI/dV＞-I/V參考電壓向著增大的方向變化，dI/dV＜-I/V參考電壓向著減小的方向變化，dI/dV=-I/V參考電壓保持不變。該方法能夠適應(yīng)日照強(qiáng)度的快速變化，控制精度高，dI/dV量值很小，對(duì)傳感器的精度要求很高，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)困難。

4 模糊控制的基本原理

（1）模糊控制器的輸入量和輸出量

根據(jù)干擾觀(guān)察法（P&O）的基本原理，取系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)為輸出功率，控制變量為占空比 D。根據(jù)功率值的變化量和前一時(shí)刻的占空比來(lái)決定此刻的調(diào)整步長(zhǎng)大小。模糊控制器第n時(shí)刻的輸入量為光伏系統(tǒng)第n時(shí)刻功率值的變化量和第n-1時(shí)刻占空比的步長(zhǎng)，第n時(shí)刻的輸出量為第n時(shí)刻的占空比步長(zhǎng)。

（2）確定輸入量和輸出量的模糊子集和論域

將功率變化量 ep(n)和占空比步長(zhǎng) ed(n)分別用量化因子量化，然后映像到模糊集合論域Ed和Ep。Ed和Ep分別定義為8個(gè)和6個(gè)模糊子集。

Ep={NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}

Ed={NB，NM，NS，PS，PM，PB}

其中，NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB分別表示的模糊概念為：負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，負(fù)零，正零，正小，正中，正大。模糊集合論域離散的數(shù)字集合表示為

Ep={-6,-5,-4,-3,-2,-1,-0,+0，1，2，3，4，5，6}

Ed={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1，2，3，4，5，6}

（3）隸屬度函數(shù)

根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)特點(diǎn)，選擇三角形作為隸屬度函數(shù)的形狀，曲線(xiàn)距離遠(yuǎn)點(diǎn)越近越陡，便于提高分辨率，距離原點(diǎn)越遠(yuǎn)越緩，便于提高跟蹤速度。功率差Ep和占空比步長(zhǎng)Ed的隸屬度函數(shù)分別如圖4，如圖5所示。

圖4 功率誤差隸屬度函數(shù)

圖5 占空比步長(zhǎng)隸屬度函數(shù)

（4）模糊決策表

根據(jù)光伏系統(tǒng)輸出功率P和占空比D之間的關(guān)系，可以得到以下原則：

1）最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)處，采用較大步長(zhǎng)，以加快跟蹤速度；最大功率點(diǎn)附近，采用較小步長(zhǎng)，以減少搜索損失。

2）如果輸出功率增加，則繼續(xù)向原擾動(dòng)方向調(diào)整，否則向相反方向調(diào)整。

3）溫度、日照強(qiáng)度等因素發(fā)生變化導(dǎo)致功率發(fā)生較大變化時(shí)，系統(tǒng)能迅速作出反應(yīng)。

有上述原則，可以得到模糊控制規(guī)則表（表 1所示），由 Matlab得到模糊控制規(guī)則視圖（如圖 6所示）。

表1 模糊控制規(guī)則表

圖6 模糊控制規(guī)則視圖

5 仿真實(shí)驗(yàn)

（1）光伏陣列仿真模型

根據(jù)光伏陣列數(shù)學(xué)模型，通過(guò)Matlab/Simulink建立太陽(yáng)能電池模型（如圖7所示）。

圖7 光伏陣列仿真模型

仿真結(jié)果擇其例如圖8～9所示，從中可以看出該模型能較好地模擬太陽(yáng)能電池的特性。

圖8 T=25℃，R=800W/m2參數(shù)下的P-V曲線(xiàn)

圖9 T=25℃,R=1000W/m2參數(shù)下的P-V曲線(xiàn)

（2）模糊控制仿真模型（如圖7所示）

圖10 模糊控制仿真模型

（3）仿真結(jié)果

光伏電池參數(shù)為：表面溫度25℃，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，量化因子分別取0.01，0.1，采用ode23tb算法，仿真時(shí)間10s。光伏系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖11 電池陣列輸出功率、電壓和電流變化過(guò)程(P&O)

圖12 電池陣列輸出功率、電壓和電流變化過(guò)程（模糊控制）

圖11和圖12分別是采用傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀(guān)察法和采用模糊控制過(guò)程中太陽(yáng)能電池陣列的輸出電壓、輸出電流以及輸出功率的變化過(guò)程。其中最上面的是功率變化曲線(xiàn)，在仿真過(guò)程中太陽(yáng)能電池陣列的輸出功率從0W增加到最大功率135W然后又降到118W，輸出電壓從75V變化到45V，電流從0.5A變化到2.6A，然后通過(guò) MPPT算法使系統(tǒng)工作在當(dāng)前的最佳工作點(diǎn)。仿真結(jié)果系統(tǒng)的最大功率輸出為135W，其對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)管占空比值為0.708，此時(shí)的太陽(yáng)能電池陣列的輸出電壓和電流分別為59V和2.3A。圖10的跟蹤功率變化速度明顯比圖9快，即能更快速跟蹤光強(qiáng)變化，電壓電流的波動(dòng)也有明顯的減小。

6 結(jié)論

本文針對(duì)光伏電池的非線(xiàn)性和對(duì)環(huán)境溫度、日照的敏感特點(diǎn)，將模糊控制應(yīng)用到設(shè)計(jì)的光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)的跟蹤控制中。將占空比步長(zhǎng)作為控制變量，根據(jù)輸出功率變化幅度對(duì)占空比進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。仿真結(jié)果表明，采用模糊控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)能高效快速跟蹤光伏陣列的最大功率點(diǎn)。

[1]沈輝, 曾祖勤.太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)[M].北京∶化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[2]Simoes M G, Franceschetti N N, Friedhofer M.Fuzzy logic based photovoltaic peak power tracking control[A].Proc IEEE Conf.International Symposium on Industrial Electronics [C], Pretoria, 1998, 300-305.

[3]Tomita T, Toward giga-watt. Production of silicon phtovoltaic cells, moduels and systems[A]. Photovoltaic Specialists Conference,2005[C]. Conference Record of the 31stIEEE.NJ. USA∶ IEEE,2005∶7-11.

[4]張超, 何湘寧.非對(duì)稱(chēng)模糊PID控制在光伏MPPT中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2005,20(10)∶72-75.

[5]Weidong Xiao, DUNFORD W G. A modiied adaptive hill climbing MPPT method for photovoltaic systems[A]. 35thannual IEEE power electroinc Specialists Conference[C]. Germany,2004,1957-1963.

[6]茆美芹, 余世杰,蘇建徽.帶有MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2005,17(5)∶1248-1251.

[7]Tafticht. T, Agbossou. K, Development of a MPPT method for photovoltaic systems[A].Electrical and Computer Engineering, 2004 Canadian Conference[C].Canada, 2004,5(2)∶1123-1126.

[8]葉秋香. 光伏電池最大功率跟蹤器的模糊控制以其應(yīng)用研究[D]. 上?！脰|華大學(xué),2006.