基于模糊控制的光伏发电MPPT控制方法

电气传动2018年第48卷第4期基于模糊控制的光伏发电MPPT 控制方法李天阳1，2，苏秉华1，2，张小凤1，3，4，殷宁1，2，苏禹1（1.北京理工大学珠海学院信息学院，广东珠海519088；2.北京理工大学光电学院，北京100081；3.华南理工大学自动化科学与工程学院，广东广州510641；4.珠海赛纳打印科技股份有限公司，广东珠海519075）摘要：为最大限度地提高光伏发电系统中光伏电池的光电转化效率，针对固定步长电导增量MPPT 控制方法的缺点，提出了一种基于模糊控制的变步长电导增量MPPT 改进算法。

分析了光伏电池的特性并建立等效模型，搭建了基于Boost 电路的光伏发电系统，根据系统输入输出设计相应的模糊控制规则，选择合适的隶属度函数，实现了最大功率跟踪的优化控制。

通过仿真与分析，证明该方法优于传统的固定步长电导增量法，有利于提高控制精度、减小光伏电池输出功率的波动。

关键词：光伏发电；最大功率点追踪；模糊控制；直流升压斩波电路中图分类号：TM914.4文献标识码：BDOI ：10.19457/j.1001-2095.20180411MPPT Control Method for Photovoltaic Power Generation Based on Fuzzy Control LI Tianyang 1，2，SU Binghua 1，2，ZHANG Xiaofeng 1，3，4，YIN Ning 1，2，SU Yu 1（1.School of information ，Beijing Institute of Technology ，Zhuhai ，Zhuhai 519088，Guangdong ，China ；2.School of Optoelectronics ，Beijing Institute of Technology ，Beijing 100081，China ；3.School of Automation Science and Engineering ，South China University of Technology ，Guangzhou 510641Guangdong ，China ；4.Seine Print Corporation ，Zhuhai 519075，Guangdong ，China ）Abstract:In order to maximize the generating efficiency of photovoltaic cells ，aiming at the disadvantage of fixedstep conductance increment MPPT control method ，an improved MPPT algorithm with variable step conductance increment method based on fuzzy control was presented.The characteristics of photovoltaic cells were analyzed and theequivalent model was established ，a photovoltaic power generation system based on Boost circuit was built ，the fuzzy control rules was designed according to the input and output of the system ，the appropriate membership functions were selected ，and the optimal control of maximum power tracking was achieved.Through simulation and analysis ，it isproved that the method is better than the traditional fixed step conductance increment method.It improves the control precision and reduces the fluctuation of output power of photovoltaic cell.Key words:photovoltaic generation ；maximum power point tracking ；fuzzy control ；DC Boost chopper circuit 基金项目：广东省普通高校特色创新项目（2015KTSCX173）；广东省优秀青年培养计划项目（YQ201402）作者简介：李天阳（1993-），男，硕士研究生，Email ：lty0730@ELECTRIC DRIVE 2018Vol.48No.4太阳能是近些年来迅速发展的新能源之一，但受制于光伏电池造价较高，且能量转换效率低。

因此光伏电池的最大功率点追踪（MPPT ）技术一直是太阳能发电中的一项重要课题。

常用的MPPT 技术［1］有固定电压法、扰动观察法、电导增量法等，而扰动观察法和电导增量法因步长固定会出现问题：如果步长过小，则追踪时间长，无法实时地追踪到最大功率点（MPP ）；如果步长较大，则会使输出波动增加，降低转换效率。

本文采用基于模糊控制的光伏发电MPPT 电导增量法，控制步长可以随不同情况变化，减小了功率输出的波动，获得了更高的能量转换效率。

1光伏电池的特性及模型光伏电池是把光能转换成电能的一种器件［2］，其工作的基本原理是光伏效应。

光伏电池的输出是非线性的，并且受外界环境因素，如光照强度和温度影响很大。

光伏电池的等效模型［3］如图1所示，将光伏电池等效成1个电流源和1个二极管并联，再加上并联电阻和串联电阻。

53电气传动2018年第48卷第4期光伏电池的数学模型［4］如下式：I pv =I ph -I d -I sh （1）式中：I pv 为光伏电池输出电流；I ph 为光生电流；I d 为流过并联二极管电流；I sh 为流过光伏电池并联电阻R sh 的电流。

流过二极管的电流I d 与二极管的反向饱和电流I o 有如下关系：I d =I o {exp[q (U pv +I pv R s )n k T]-1}（2）式中：q 为电子电荷常量；U pv 为光伏电池输出端负载两端电压；R s 为光伏电池串联内阻；（U pv +I pv R s ）为二极管两端的电压；n 为二极管因子；k 为玻尔兹曼常数；T 为开氏温度。

根据图1的电路，可得并联电阻电流如下：I sh =U pv +I pv R sR sh（3）结合式（1）～式（3），可得光伏电池的输出电流如下式：I pv =I ph -I o {exp[q (U pv +I pv R s )n k T]-1}-U pv +I pv R sR sh （4）为便于光伏电池数学模型的推导，引入C 1和C 22个中间量，C 1I sc =I o ，C 2=n k T /q ，I sc 为光伏电池短路电流。

为简化计算，假设光生电流I ph 近似等于光伏电池的短路电流I sc ，I ph ≈I sc ；流过并联电阻的电流I sh 远小于光生电流I ph ，可以忽略不记；串联电阻R s 及其上电压I pv R s 太小可忽略不记，式（4）可以简化为I pv =I sc {1-C 1[exp(U pvC 2U oc)-1]}（5）式中：U oc 为光伏电池的开路电压。

将太阳能电池板最大功率点的电流I m 和电压U m 代入式（5），得：I m =I sc {1-C 1[exp(U mC 2U oc)-1]}（6）式（6）中指数函数的值远大于1，整理得C 1的表达式为C 1=(1-I m I sc )exp(-U mC 2U oc)（7）将式（7）和开路状态下I pv =0，U pv =U oc 带入式（5），可得：I sc {1-(1-I m I sc )exp(-U mC 2U oc )[exp(1C 2)-1]}=0（8）整理可得：C 2=(U m U oc -1)/ln(1-Im I sc)（9）结合式（5）、式（7）、式（9），可构建基本的光伏电池模型。

但以上各式的参数都是基于厂家给出的标准工况下的参数（光照强度S ref =1000W/m 2，温度T ref =25℃），实际使用中环境肯定会有变化，需增加补偿电流ΔI ：ΔI =a ΔTS /S ref +(S /S ref -1)I sc （10）式中：a 为补偿系数，a =0.0025，℃；ΔT =T -T ref ，T为温度；S 为光照强度，W/m 2。

加入补偿电流，则有如下电流—电压输出特性方程：I pv =I sc {1-C 1[exp(U pvC 2U oc)-1]}+ΔI （11）在Matlab/Simulink 中构建光伏电池模型，如图2所示。

能够模拟光伏电池的输出特性，光伏电池的电流—电压特性曲线和功率—电压特性曲线正确，如图3和图4所示。

图1光伏电池等效模型Fig.1Equivalent model of photovoltaiccell图2Simulink 中构建的光伏电池模型Fig.2Photovoltaic cell model built inSimulink图3电流—电压特性曲线Fig.3Current—voltage characteristiccurve图4功率—电压特性曲线Fig.4Power—voltage characteristic curve李天阳，等：基于模糊控制的光伏发电MPPT 控制方法54电气传动2018年第48卷第4期2光伏发电系统模型2.1光伏MPPT 原理及系统基本的光伏发电系统如图5所示，包括太阳能电池板、DC -DC 变换电路、MPPT 控制器、PWM 脉冲发生器、负载等。

MPPT 控制器采集光伏电池输出的电流和电压，经计算得到需要调整的电压量或占空比调整量，送给PWM 信号发生电路，输出相应的脉冲控制斩波电路。

光伏电池可以等效简化成1个带内阻R i 的电压源U i ，负载电阻为R o ，如图6所示。

负载电阻上的功率为P o =I 2R o =R o (U i R i +R o)2（12）电压U i 、内阻R i 均不变，对式（12）求导：d P o d R o =U 2i R i-R o(R i +R o )3（13）可知，当R o =R i 时，导数为0，输出的功率最大。