基于模糊控制的光伏发电系统最大功率点跟踪算法研究

巩瑞春　王瑞虹

摘 要：本文基于模糊控制算法，设计了光伏发电系统最大功率点跟踪方法，然后分析了基于模糊控制的光伏发电系统最大功率点跟踪算法的工作原理和实现方法，最后对基于模糊控制的光伏发电系统最大功率点跟踪算法进行仿真分析。结果表明：光伏电池仿真系统能够有效跟踪到最大功率点，且此时输出最大功率、振荡小、波形稳定。

关键词：最大功率点;光伏发电系统;模糊控制

中图分类号：TM615文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）31-0109-03

Research on Maximum Power Point Tracking Algorithm of

Photovoltaic Power Generation System Based on Fuzzy Control

GONG Ruichun WANG Ruihong

（College of Information Science and Technology，Baotou Teachers'  College，Baotou Inner Mongolia 014031）

Abstract： Based on the fuzzy control algorithm， this paper designed the maximum power point tracking method for photovoltaic power generation system， then analysed the working principle and implementation method of the maximum power point tracking algorithm for photovoltaic power generation system based on fuzzy control. Finally， the maximum power point tracking algorithm for photovoltaic power generation system based on fuzzy control was simulated and analyzed. The results showed that the photovoltaic cell simulation system could effectively track the maximum power point， and the output maximum power， small oscillation， and stable waveform at this time.

Keywords： maximum power point;photovoltaic power generation system;fuzzy control

1 光伏发电系统基本概述

光伏发电是利用半导体接受光照产生光生伏特效应，并将太阳光能直接转化为电能的一种关键技术。光伏发电的基本装置是太阳能电池，而光伏发电系统是指将太阳能转变为电能的发电系统[1]。

由于光伏电池输出曲线本身具有非线性，所以当外界条件发生改变时，光伏电池最大功率点位置也会相应改变。为了提高光伏电池在不同条件下的功率值，最大程度改善太阳能转化为电能的效率，需采用最大功率跟踪技术。本文在分析光伏电池输出特性的基础上，引入了模糊控制算法，实现对光伏电池最大功率点的跟踪。模糊控制具有响应快、鲁棒性以及自适应性强等特点，能有效提高控制精度和稳定性，非常适合太阳能光伏发电系统研究。

2 最大功率點跟踪技术

2.1 MPPT的基本思想

光伏电池输出功率受外部环境和内部结构影响。当光照强度和温度确定时，光伏电池输出的直流电压值是呈多样性的，光伏电池输出功率与自身输出电压相关，输出功率曲线稳定在某一特定点，该点称为最大功率点。当光伏电池的功率受到光照强度、温度等外界因素影响发生变化时，对之进行调整，使光伏电池输出功率尽可能达到最大，这种技术称为最大功率点跟踪技术[2]。

2.2 最大功率控制系统的实现

当负载与电源内阻相等时，负载可以获取最大功率，但光伏电池内阻会随光照强度、环境温度变化而变化，所以不确定最佳负载大小。在光伏电池和负载之间增加一个Boost变换电路，通过PWM调制方式来驱动Boost变换电路中的IGBT，利用占空比的调节可实现最大功率点跟踪，从而达到获取最大功率的目的。Boost电路结构如图1所示。

在Boost电路中，通过改变开关的占空比达到调节光伏电池输出电压的目的，从而实现MPPT控制。因此，占空比的变化量就是步长的变化量。设占空比[λ]为[tT]，得输入电压[Ud]与输出电压[U0]的关系如式（1）所示。

[U0=11-λUd]                       （1）

式中：[T]为开关时间，[t]为开关管导通的时间。

3 模糊控制法实现MPPT

3.1 模糊控制法工作原理

本文所设计的MPPT控制方法是一种基于模糊逻辑算法的技术。模糊控制是将模糊集合经过模糊推理转换成数学函数的一种智能控制方式，反映了输入、输出变量关系[3]。一般将误差量e和误差变化量[ec]当作输入变量，经过模糊判决得到的值为输出变量。输入量e和[ec]的关系如式（2）、式（3）所示。

[epn-pn-1In-In-1]                               （2）

[ec=en-en-1]                                （3）

式中：[pn]、[In]为n时刻采样下的光伏电池输出功率和输出电流。

当光伏电池在最大功率点[dPdI=0]时，由模糊控制原理可得误差变化量[ec]为0。

3.2 模糊控制器设计

3.2.1 模糊化。模糊化是实现模糊控制的一个重要步骤，模糊化是将模糊控制器输入的模糊子集的具体值转换成模糊子集及其隶属函数的形式[4]。

首先确定输入、输出量。模糊控制器采用双输入量单输出量的形式，设输入量为误差量[e]和误差变化量，[ec]输出量为占空比[λ]，由式2可知，当误差变化量[ec]为0时，输出功率达到最大值，光伏电池工作在此输出点。

其次，输入输出量模糊子集与论域确定。定义模糊集合：Z为零、PS为正小、PM为正中、PB为正大、NB为负大，NM为负中，NS为负小，则e、[ec]与[λ]集合如式（4）～式（6）所示。

[e=NB，NM，NS，Z，PA，PM，PB]                     （4）

[ec=NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB]                    （5）

[λ=NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB]                        （6）

將其模糊论域分别定义为[e=-3，3]，[ec=-3，3]，[λ=-3，3]。

3.2.2 建立模糊规则表思路。建立模糊规格表的基本思路如下：若离最大功率点较远时，可采用较大的步长控制Boost电路占空比;若离最大功率点较近时，则采用较小的步长控制Boost电路占空比。即功率增加时，不改变原有调节方向;功率减小时，按相反方向调节占空比。

3.3 模糊控制系统的MATLAB/Simulink实现方法

模糊控制系统的设计与仿真是以Simulink中各模块为基础，架构而成的仿真模型图。模糊控制系统中最重要的模块是Fuzzy Logic Controller，其内部由一个“FIS S-function”模块组成，需要将在命令窗口设置模糊控制器FIS结构文件并嵌入到“FIS S-function”中，实现“Fuzzy Logic Controller”模块与Simulink衔接[5]。

把FIS文件嵌入“Fuzzy Logic Controller”模块的方法是在MATLAB窗口中输入命令“XXX=readfis（），依据路径寻找文件‘Mppt_fuzz.fis”，回车即可把FIS结构文件“XXX”送入到MATLAB的工作空间。

4 模糊控制MPPT仿真与分析

4.1 电路仿真模型

本文通过设计模糊控制器，实现了利用模糊控制器控制Boost电路的MATLAB/Simulink仿真，并对最大功率点进行跟踪。在仿真电路中，各电路元件的参数选取分别为[C2=300μF]、[L2=3mH]、[Cdu1=100μF]。光伏电池工作电压[Vm]为21.7V，工作电流[Im]为6.5A，短路电流[Isc]为9A，开路电压Voc为25.5V。模糊控制法MPPT仿真图如图2所示。

4.2 仿真结果与分析

在电路模型中，设置光伏电池模块温度为25℃，可知在0、0.1s和0.2s时刻，光照强度分别为400、600W/m2、1 000W/m2，光伏电池输出电压、电流、功率随时间变化的曲线如图3所示。可以看出，随着光照强度的增加，光伏电池的输出功率点上升，并且很快到达最大功率点附近，且处于稳定状态，没有产生剧烈振荡[6]。

5 结论

仿真结果表明，光伏电池仿真系统能够有效跟踪到最大功率点，且此时输出最大功率、振荡小、波形稳定。通过改变光照强度、温度，仿真的准确性得到验证，证明了光伏发电系统工作效率可以通过模糊控制法实现得到提高，光伏发电系统响应速度及稳态性能进一步得到提升。

参考文献：

[1]黄瑞，孙黎霞.基于占空比模糊控制的光伏发电系统MPPT技术[J].电子工程设计，2013（7）：101-104.

[2]王述彦，师宇，冯忠绪.基于模糊PID控制器的控制方法研究[J].机械科学与技术，2011（1）：166-172.

[3]许世伟.基于模糊控制PID控制的光伏发电系统MPPT技术的研究[D].南京：南京师范大学，2017.

[4]付周兴，靳海亮，李忠.一种基于Boost电路的光伏最大功率跟踪方法[J].半导体光电，2013（1）：141-144.

[5]乔兴宏，吴必军，王坤林，等.基于模糊控制的光伏发电系统MPPT[J].可再生能源，2008（5）：13-16.

[6]任碧莹，钟彦儒，孙向东，等.基于模糊控制的最大功率点跟踪方法研究[J].电力电子技术，2008（11）：47-48.