基于扰动观察法结合模糊控制法MPPT控制策略研究_康家玉

基于扰动观察法结合模糊控制法 ＭＰＰＴ 控制策略研究
康家玉，周 猛，王素娥，王 旭
（陕西科技大学 电气与信息工程学院，陕西 西安 ７１００２１）
摘 要 ：分 析 了 光 伏 阵 列 的 输 出 特 性 及 最 大 功 率 点 跟 踪 控 制 原 理 ，将 模 糊 控 制 应 用 到 光 伏 阵 列 的最大功率点跟踪控制中，以达到快速跟踪的目的；再 引 入 改 进 的 扰 动 观 察 法，优 化 最 大 功 率 点 处 的 稳 态 特 性 ．在 外 界 环 境 突 变 的 情 况 下 ，仿 真 结 果 表 明 组 合 式 的 控 制 方 法 可 以 提 高 系 统 的 快 速 性 、稳 定 性 和 能 量 转 换 效 率 ． 关 键 词 ：光 伏 阵 列 ；扰 动 观 察 法 ；模 糊 控 制 法 ；最 大 功 率 点 跟 踪 中 图 分 类 号 ：ＴＭ６１５ 文 献 标 志 码 ：Ａ
３ 组合式 ＭＰＰＴ 控制方案设计
３．１ 扰 动 观 察 法 原 理 扰动观察法是一种常用的最大功率点跟踪控
制算法，相应的改 进 算 法 也 有 许 多．其 基 本 工 作 原
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Hale Waihona Puke 陕西科技大学学报第 ３４ 卷
理 是 ：首 先 测 量 当 前 时 刻 的 光 伏 电 池 输 出 电 压 和 输 出 功 率 ，然 后 在 原 来 输 出 电 压 的 基 础 上 增 加 一 个 小 的电压分量 （或 称 之 为 扰 动 量 ）．由 图 ２ 和 图 ３ 可 知，此时光伏电池 的 输 出 功 率 会 发 生 改 变，测 量 此 时 的 输 出 功 率 ，比 较 两 次 测 量 的 输 出 功 率 即 可 知 道 功 率 变 化 的 方 向 ．如 果 功 率 增 大 就 继 续 保 持 原 扰 动 方向不变；如果功率减小 了 则 改 变 原 扰 动 方 向 ． ［１２］ 扰动观察法的缺点就是在最大功率点处会产生振 荡 ，无 法 兼 顾 跟 踪 速 度 和 稳 定 精 度 ． ３．２ 模 糊 控 制 器 的 原 理 和 设 计
本文以 ＤＣ－ＤＣ 升 压 电 路 为 基 础，来 实 现 最 大 功率点跟踪功能．Ｂｏｏｓｔ升 压电路一方面可以 提 高 输出电压，作为后 级 逆 变 电 路 的 输 入 电 压；另 一 方 面在光伏电池和负载之间加入 ＤＣ－ＤＣ 电路可以实 现阻抗变 换．由 Ｂｏｏｓｔ电 路 的 阻 抗 变 换 关 系 可 知 Ｒｉｎ ＝（１－Ｄ）２ ＲＬ ，Ｒｉｎ 为 Ｂｏｏｓｔ电 路 的 等 效 输 入 阻 抗，ＲＬ 为负载阻抗，Ｄ 为 Ｂｏｏｓｔ电路开关管的占空 比．通过改 变 ＤＣ／ＤＣ 工 作 的 占 空 比，使 光 伏 电 池 负 载 匹 配 光 伏 电 池 输 出 阻 抗 ，最 终 使 光 伏 电 池 工 作 在 ＭＰＰ 处 ． ［１１］
Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ＭＰＰＴ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｐ＆Ｏ ｍｅｔｈｏｄ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ
ＫＡＮＧ Ｊｉａ－ｙｕ，ＺＨＯＵ Ｍｅｎｇ，ＷＡＮＧ Ｓｕ－ｅ，ＷＡＮＧ Ｘｕ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ′ａｎ ７１００２１，Ｃｈｉｎａ）
）
－１
－Ｕ
＋ＩＲｓ Ｒｓｈ
（１）
式（１）中：Ｉｐｈ 为光生电流，Ｉ０ 为 反 向 饱 和 电 流； Ｕ 是 负 载 端 电 压；Ｒｓ 和 Ｒｓｈ 分 别 为 等 效 串 并 联 电 阻；Ａ 为 二 极 管 品 质 因 子；Ｋ 为 波 耳 兹 曼 常 数；Ｔ 为绝对温度；ｑ 为单位电荷数；Ｉ 为光伏电池输出电 流．
太阳能电池供应商会提供四个重要的基本参
数：开路电压（Ｖｏｃ）、短 路 电 流 （Ｉｓｃ）、最 大 功 率 点 电 流（Ｉｍ ）、最 大 功 率 点 电 压 （Ｖｍ ）．可 将 （１）式 简 化 为 ： ［９］
｛ ［ （ ） ］｝ Ｉ＝Ｉｓｃ １－Ｃ１ ｅｘｐＣ２ＶＶｏｃ －１
（２）
（ ） （ ） Ｃ１ ＝ １－ＩＩｓｍｃ
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在 实 际 应 用 中 ，早 期 常 用 的 最 大 功 率 点 跟 踪 算 法主要是恒定电压法和扰动观察法［３］．近年来国 内 研究较多的主要是改进的扰动观察法［４］、导纳增 量 法、模 糊 控 制 法 及 ［５，６］ 组 合 式 的 控 制 方 法．扰 动 观 察法优点 是 算 法 简 单、容 易 实 现 和 跟 踪 效 率 比 较 高，所以在工程中 应 用 比 较 广 泛．模 糊 控 制 法 实 现 ＭＰＰＴ 控 制 能 快 速 响 应 外 部 环 境 变 化［７］，以 达 到 快速跟踪的目的．
本文将扰动观察法和模糊控制法的优点相结 合，在光照或环境 温 度 突 变 时，首 先 采 用 模 糊 控 制 算 法 快 速 地 跟 踪 到 光 伏 阵 列 的 最 大 功 率 点 附 近 ，之 后采用新型的变步长扰动观察法可以使系统稳定 在最大功率点处．仿 真 结 果 表 明，组 合 算 法 极 大 地 减 小 了 最 大 功 率 点 处 的 振 荡 ，提 高 了 系 统 的 稳 定 性 和能量转换效率．
ｅｘｐ
－Ｖｍ Ｃ２Ｖｏｃ
（３）
（ ）［ （ ）］ Ｃ３ ＝
Ｖｍ Ｖｏｃ
－１
ｌｎ １－ＩＩｓｍｃ
－１
（４）
基于上 述 光 伏 电 池 数 学 模 型，在 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 中
建立光伏 电 池 模 型，其 光 伏 阵 列 输 出 特 性 仿 真 如
下：
由图 １ 可 以 看 出，在 标 准 温 度 条 件 下，随 着 光
２ 光 伏 电 池 最 大 功 率 点 跟 踪 控 制 原 理
当 外 界 的 条 件 发 生 变 化 时 ，如 光 照 强 度 的 改 变 和 环 境 温 度 的 变 化 ，需 要 依 据 控 制 方 法 实 时 地 调 整 光 伏 电 池 的 工 作 点 ，使 光 伏 电 池 始 终 工 作 在 最 大 功 率点处，这一过程称之为 ＭＰＰＴ．
由图 ２ 可 以 看 出，在 标 准 的 光 照 条 件 下，随 着 温度的变化，最大 功 率 点 的 位 置 也 随 之 改 变．温 度
图２ 温度变化 Ｐ－Ｕ 曲线（光照强度 为 １ ０００Ｗ／ｍ２）
越高，光伏电池的 开 路 电 压 越 小，光 伏 电 池 的 最 大 功率点也随之降低．
由 以 上 分 析 可 知 ，光 照 强 度 和 温 度 的 变 化 是 影 响 光 伏 电 池 输 出 功 率 的 主 要 因 素 ．在 不 同 的 外 界 条 件下，需要对光伏 电 池 进 行 最 大 功 率 点 跟 踪 控 制， 以提高光伏阵列的发电效率．
０ 引 言
太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能 源．光伏发电是人 类 利 用 太 阳 能 的 一 种 重 要 方 式． 光 伏 发 电 对 于 改 善 气 候 环 境 、缓 解 能 源 危 机 具 有 重 要 的 意 义 ，目 前 已 成 为 国 内 外 学 术 界 和 工 业 界 研 究
的热点［１］．然而，光伏阵列是一种非线性元件，光 照 强度、环境温度、负 载 等 条 件 的 变 化 会 影 响 其 输 出 功 率 的 大 小 ．因 此 ，为 了 提 高 光 伏 电 池 的 转 换 效 率 ， 使其在同样光照和环境温度下输出尽可能多的电 能［２］，需要 对 光 伏 电 池 阵 列 的 最 大 功 率 点 进 行 快 速 、准 确 的 跟 踪 ．
图１ 光照强度变化 Ｐ－Ｕ 曲线（温度为２５ ℃）
１ 光 伏 阵 列 的 输 出 特 性
太阳能光伏 电 池 的Ｉ－Ｕ 特 性 随 着 外 界 环 境 的 变化而变化，其 输 出 电 流－电 压 数 学 模 型 可 ［８］ 表 示 为：
｛ ［ ］ ｝ Ｉ＝Ｉｐｈ －Ｉ０
ｅｘｐ
ｑ（ＩＲｓ ＋Ｕ ＡＫＴ
模糊控制器的工作原理是将输入的数字信号 经 过 模 糊 化 变 成 模 糊 量 ，然 后 输 入 到 模 糊 推 理 模 块 得 出 模 糊 集 合 ，之 后 通 过 反 模 糊 模 块 转 换 成 清 晰 数 字量以控制被控对象［１３］．由 图 ２ 和 图 ３ 可 以 看 出， 在最大功率点处 ｄＰ／ｄＶ＝０，ｄＰ／ｄＶ 可以看成 Ｐ－Ｖ 曲 线 的 斜 率 ，斜 率 的 绝 对 值 比 较 大 说 明 离 最 大 功 率 点 越 远 ，斜 率 的 绝 对 值 比 较 小 说 明 离 最 大 功 率 点 越 近［１４］．由此规 律 结 合 功 率 的 变 化 量 和 扰 动 步 长 的 变化情况，建立模糊控制规则表．可以将 ｄＰ／ｄＶ 和 ｄＰ 作为模糊控制 器 的 输 入 量，扰 动 步 长 的 变 化 值 ｄＳ 作为模糊控 制 器 的 输 出 量，通 过 对 扰 动 步 长 的 控 制 来 实 现 对 电 路 占 空 比 的 调 整 ，使 系 统 工 作 在 最 大功率点处．
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ａｒｒａｙ ａｎｄ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗ－ ｅｒ ｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ＰＶ ａｒｒａｙ ｍａｘｉ－ ｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｓｔ ｔｒａｃｋ；ｔｈｅｎ，ａｎ ｉｍ－ ｐｒｏｖｅｄ ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ ｃｈａｒ－ ａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ．Ｉｎ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｏｆ ｍｕｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｑｕｉｃｋｌｙ，ｓｔａｂｉｌｉ－ ｔｙ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ａｒｒａｙ；ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ；ｆｕｚｚｙ ｌｏｇｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ （ＭＰＰＴ）