基于模糊控制的光伏电池MPPT控制研究

魏毅立 王源

摘要：太阳能光伏电池是光伏发电的主要部件，根据等效电路图推导得出其数学模型，并利用MATLAB/Simulink仿真软件搭建仿真模型，在不同光照及温度下得出其相应的光伏特性曲线。同时对最大功率点跟踪（MPPT， maximum power point tracking）控制进行分析，提出了一种新的模糊控制建模方法，并与常规的扰动观察法和电导增量法进行了仿真比较。经过仿真表明，这种新的模糊控制方法具有更快的跟踪速度，更好的平滑性和抗干扰性。

关键词：光伏电池;最大功率点跟踪;模糊控制;扰动观察法;电导增量法

中图分类号：TP273        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）26-0027-04

Abstract： Solar photovoltaic cell is the core of photovoltaic power generation， and its mathematical model can be deduced according to the equivalent circuit diagram， and the simulation model can be established by MATLAB/Simulink simulation software， and the corresponding photovoltaic characteristic curve can be obtained under different lighting and temperature. At the same time， a new fuzzy control modeling method is proposed based on the analysis of MPPT control， which is compared with the traditional perturbation observation method and conductance increment method. Simulation results show that this new fuzzy control method has faster-tracking speed， better smoothness and anti-interference.

Key words： photovoltaic cell; maximum power point tracking; fuzzy control; perturbation and observation; incremental conductance method

1引言

由于科學技术的不断发展，整个人类社会对电能的依赖越来越大，再加上传统化石能源的日益减少，环境污染的加重，太阳能、风能等新能源发电占比不断增加。目前，我国的光伏发电装机容量连续几年快速增长，截至2019年9月底已达到190190MW[1]。

在光伏发电系统中，光伏电池的输出特性不仅与它的构成材料有关，而且还受到光照强度、温度和其他外在环境因素的影响，能否使发电效率稳定在最大功率点（MPP， maximum power point）处是整个发电系统的关键所在，目前常用的方法有扰动观察法、电导增量法、滑模控制法、模糊控制法等[2]。不同的控制方法其控制策略和效果也不同，根据不同的控制策略在Simulink中建立相应的模型进行仿真比较，得出不同的控制效果。同时也证明了提出这种新的模糊控制方法的可行性。

2光伏发电的数学模型与特性

光伏发电是利用光电效应将太阳能转化为电能的发电系统，其具有可靠性高、清洁、可并网等优点受到各国的青睐。光伏电池的结构类似于PN结，当有光照时就会产生电压，根据相关原理可得光伏电池的等效电路，如图1所示。

3 最大功率跟踪控制原理

根据图2和图3可知，在不同光照及不同温度下的P-V曲线都有一个MPP，为了使发电输出功率达到最大值，可以通过MPPT控制使系统发电处于最大功率点处[5]。目前，大多数的方法是通过改变占空比来控制DC/DC变换电路，使不同环境下的输出功率稳定在MPP处[6，7]，其控制简图如图4。图5为光伏系统MPPT控制的仿真模型，主要由光伏电池模块、DC/DC变换电路、MPPT控制模块和PWM模块组成，当电压电流检测电路检测到光伏电池的输出电压和电流时，送到MPPT模块，经过MPPT控制器进行寻优输出，并作为PWM模块的输入，使PWM调节DC/DC电路开关器件的占空比，从而使光伏电池稳定在最大功率输出状态。

4几种MPPT算法

4.1 扰动观察法

扰动观察法的原理是故意对电压进行扰动，然后根据扰动前后功率的增减情况来对系统进行控制，若功率增加，则继续施加同向扰动，若功率降低，则施加反向扰动，采用这种方法有一个弊端，就是在稳态时也会对电压进行增减扰动，从而造成了在稳态也会在MPP处振荡，这就造成了能量的损耗[8]。图6是这种方法的仿真模型。

4.2 电导增量法

电导增量法是根据电导[（GG=IPV/VPV）]和电导增量[（ΔGG=dIPV/dVPV）]的比较结果对电压进行增减，使系统工作在MPP处，在MPP处功率导数为0，即[dPPV/dVPV=0]，这种方法的实现比较复杂对硬件要求也高[8-10]。图7给出这种方法的仿真模型。

4.3 模糊控制法

近年来，模糊控制法在MPPT控制中得到大量应用，都是以光伏电池的特性为依据，通过相应的规则来建立模糊控制器，从而来控制Boost电路的PWM占空比，达到MPPT控制[10]。各国学者建立模糊控制器的方法也有多种，文献[11]是以[ΔPPV]和[ΔVPV]作为模糊控制器的输入，文献[12]是以[dVPV/dIPV]和[Δ（dVPV/dIPV）]作为模糊控制器的输入，这些文献中使用的解模糊化方法都是重心法。为了达到更快的跟踪速度以及更好的平滑性，提出了一种新的模糊控制方法，以[dPPV/dVPV]和[Δ（dPPV/dVPV）]为输入，用最大隶属度平均法“mom”解模糊化，图8给出了模糊控制的Simulink仿真图。