隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,，能源問(wèn)題日益尖銳，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始關(guān)注能源利用及轉(zhuǎn)換效率的問(wèn)題,。光伏發(fā)電具有無(wú)污染,、無(wú)噪音、取之不盡,、用之不竭等優(yōu)點(diǎn),，因而越來(lái)越受關(guān)注。但是由于光伏系統(tǒng)本身非線(xiàn)性和光電池制造工藝復(fù)雜的特點(diǎn),，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)換效率一般為14％～15％,。為了讓太陽(yáng)能電池陣列在同樣日照,、溫度的條件下輸出更多的電能，提出了最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)問(wèn)題,。
MPPT本質(zhì)上是一個(gè)尋優(yōu)過(guò)程,。通過(guò)測(cè)量電壓、電流和功率,，以及比較它們之間的變化關(guān)系,，決定當(dāng)前工作點(diǎn)與峰值點(diǎn)的位置關(guān)系，然后控制電流(或電壓)向當(dāng)前工作點(diǎn)與峰值功率點(diǎn)移動(dòng),，最后控制電流(或電壓)在峰值功率點(diǎn)附近一定范圍內(nèi)來(lái)回?cái)[動(dòng),。模糊控制適應(yīng)性強(qiáng)，魯棒性好,，作為一種新的控制思想,，非常適合用在對(duì)于太陽(yáng)能光伏發(fā)電這種包含許多不確定量，而且很難用精確的數(shù)學(xué)模型描述出來(lái)的系統(tǒng),。
1 光伏特性
光伏電池相當(dāng)于具有與受光面平行的極薄PN截面的大面積等效二極管,，其等效電路如圖1所示。
在圖1中,，I為太陽(yáng)能電池輸出電流,；Id為二極管工作電流；Irsh為漏電流,；ILG為led/'''' target=''''_blank''''>光電池電流源,；Rsh為光伏電池的并聯(lián)等效電阻；Rs為光伏電池的串聯(lián)等效電阻,。由圖1得到光伏電池的輸出特性方程為：
式中：
前式表明,，并聯(lián)電阻Rsh越大，越不會(huì)影響短路電流的數(shù)值,。所以設(shè)計(jì)中可忽略Rsh,，而得到簡(jiǎn)化的光伏電池輸出特性方程：
式(1)～式(4)中：I為光伏電池輸出電流；V為光伏電池輸出電壓,；Ios為光伏電池暗飽和電流T為光伏電池的表面溫度,；K為波爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23J／K)；λ為日照強(qiáng)度,；q為單位電荷(1.6×10-19C),；k1為短路電流的溫度系數(shù)；ISCR為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(光伏電池溫度25℃,，日照強(qiáng)度為1 000 W／m2)下,，光伏電池的短路電流；ILG為光電流；EGO為半導(dǎo)體材料的禁帶寬度,；Tr為參考溫度(301.18 K),；Ior為T(mén)r下的暗飽和電流；A,，B為理想因子,，一般介于1和2之間。
隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,，能源問(wèn)題日益尖銳,，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始關(guān)注能源利用及轉(zhuǎn)換效率的問(wèn)題。光伏發(fā)電具有無(wú)污染,、無(wú)噪音、取之不盡,、用之不竭等優(yōu)點(diǎn),，因而越來(lái)越受關(guān)注。但是由于光伏系統(tǒng)本身非線(xiàn)性和光電池制造工藝復(fù)雜的特點(diǎn),，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)換效率一般為14％～15％,。為了讓太陽(yáng)能電池陣列在同樣日照、溫度的條件下輸出更多的電能,，提出了最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)問(wèn)題,。
MPPT本質(zhì)上是一個(gè)尋優(yōu)過(guò)程。通過(guò)測(cè)量電壓,、電流和功率,，以及比較它們之間的變化關(guān)系，決定當(dāng)前工作點(diǎn)與峰值點(diǎn)的位置關(guān)系,，然后控制電流(或電壓)向當(dāng)前工作點(diǎn)與峰值功率點(diǎn)移動(dòng),，最后控制電流(或電壓)在峰值功率點(diǎn)附近一定范圍內(nèi)來(lái)回?cái)[動(dòng)。模糊控制適應(yīng)性強(qiáng),，魯棒性好,，作為一種新的控制思想，非常適合用在對(duì)于太陽(yáng)能光伏發(fā)電這種包含許多不確定量,，而且很難用精確的數(shù)學(xué)模型描述出來(lái)的系統(tǒng),。
1 光伏特性
光伏電池相當(dāng)于具有與受光面平行的極薄PN截面的大面積等效二極管，其等效電路如圖1所示,。
在圖1中,，I為太陽(yáng)能電池輸出電流；Id為二極管工作電流,；Irsh為漏電流,；ILG為led/'''' target=''''_blank''''>光電池電流源；Rsh為光伏電池的并聯(lián)等效電阻；Rs為光伏電池的串聯(lián)等效電阻,。由圖1得到光伏電池的輸出特性方程為：
式中：
前式表明,，并聯(lián)電阻Rsh越大，越不會(huì)影響短路電流的數(shù)值,。所以設(shè)計(jì)中可忽略Rsh,，而得到簡(jiǎn)化的光伏電池輸出特性方程：
式(1)～式(4)中：I為光伏電池輸出電流；V為光伏電池輸出電壓,；Ios為光伏電池暗飽和電流T為光伏電池的表面溫度,；K為波爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23J／K)；λ為日照強(qiáng)度,；q為單位電荷(1.6×10-19C),；k1為短路電流的溫度系數(shù)；ISCR為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(光伏電池溫度25℃,，日照強(qiáng)度為1 000 W／m2)下,，光伏電池的短路電流；ILG為光電流,；EGO為半導(dǎo)體材料的禁帶寬度,；Tr為參考溫度(301.18 K)；Ior為T(mén)r下的暗飽和電流,；A,，B為理想因子，一般介于1和2之間,。
當(dāng)負(fù)載RL從0變化到無(wú)窮大時(shí),，即可得到如圖2所示太陽(yáng)能電池的輸出特性曲線(xiàn)。調(diào)節(jié)負(fù)載電阻RL到某一值Rm時(shí),，在曲線(xiàn)上得到一點(diǎn)M,，其對(duì)應(yīng)的工作電壓和工作電流之積最大，即Pm=ImVm?，F(xiàn)將此M點(diǎn)定義為最大功率輸出點(diǎn)(MPP),。
2光伏系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤
在光伏系統(tǒng)中，通常要求光伏電池的輸出功率保持在最大,，也就是讓光伏電池工作在最大功率點(diǎn),，從而提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。MPPT就是一個(gè)不斷測(cè)量和不斷調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)的過(guò)程,，它不需要知道光伏陣列精確的數(shù)學(xué)模型,，而是在運(yùn)行過(guò)程中不斷改變可控參數(shù)的整定值，使得當(dāng)前工作點(diǎn)逐漸向峰值功率點(diǎn)靠近,，使光伏系統(tǒng)運(yùn)作在峰值功率點(diǎn)附近,。
對(duì)于電阻型負(fù)載,，其負(fù)載線(xiàn)與I-V曲線(xiàn)的交叉點(diǎn)決定了光伏電池的工作點(diǎn)。不同的負(fù)載RL決定了不同的工作點(diǎn),。因此在不同溫度,、日照強(qiáng)度條件下，當(dāng)最大功率點(diǎn)發(fā)生漂移時(shí),，可通過(guò)調(diào)整負(fù)載使光伏電池重新工作在最大功率點(diǎn)處,。關(guān)于光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤算法，先前許多文獻(xiàn)已提出過(guò)多種方法,，如電壓回授法,、擾動(dòng)觀(guān)察法、功率回授法,、直線(xiàn)近似法,、實(shí)際測(cè)量法和增量電導(dǎo)法。
然而,，在光伏組件環(huán)境變化復(fù)雜的情況下,，這些方法不能即時(shí)追蹤，迅速反應(yīng),。常規(guī)方法只能收斂到局部最高運(yùn)行點(diǎn),，卻不是P-V曲線(xiàn)的真正最高點(diǎn),。于是提出了占空比擾動(dòng)法,。圖3為一般光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，MPPT控制器通過(guò)調(diào)整PWM信號(hào)的占空比D,，來(lái)調(diào)節(jié)輸入／輸出關(guān)系,，從而達(dá)到阻抗匹配的功能。
3基于模糊控制的MPPT實(shí)現(xiàn)
3.1模糊控制基本原理
模糊控制建立的基礎(chǔ)是模糊邏輯,，它比傳統(tǒng)的邏輯系統(tǒng)更接近于人類(lèi)的思維和語(yǔ)言表達(dá)方式,。在一些復(fù)雜系統(tǒng)，特別是系統(tǒng)存在定性的不精確和不確定信息的情況下,，模糊控制的效果常優(yōu)于常規(guī)控制,。模糊控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。
模糊控制系統(tǒng)一般按輸出誤差和誤差的變化對(duì)過(guò)程控制進(jìn)行控制,，其首先將實(shí)際測(cè)量的精確量誤差e和誤差變化Δe經(jīng)過(guò)模糊處理而變換成模糊量,，在采樣時(shí)刻k，定義誤差和誤差變化為：
式中：yr和yk分別表示設(shè)定值和k時(shí)刻的過(guò)程輸出,；ek為k時(shí)刻的輸出誤差,。用這些量來(lái)計(jì)算模糊控制規(guī)則，然后又變換成精確量對(duì)過(guò)程進(jìn)行控制,。
3.2模糊控制器的設(shè)計(jì)
模糊邏輯控制器的設(shè)計(jì)主要包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：
(1)確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量,；
(2)歸納和總結(jié)模糊控制器的控制規(guī)則,；
(3)確定模糊化和反模糊化的方法；
(4)選擇論域并確定有關(guān)參數(shù),。
模糊化的設(shè)計(jì),，其解答往往不是惟一的，在很大程度上要運(yùn)用啟發(fā)式試探方法以求取得最佳的選擇,。對(duì)于初始設(shè)計(jì)可先模擬,，若控制性能達(dá)不到要求，則需要重新確定隸屬函數(shù),，有時(shí)甚至要重新確定輸入／輸出量,。
3.2.1輸入／輸出量模糊子集及論域
模糊系統(tǒng)的輸入輸出變量有輸入功率變化量E；輸入上次步長(zhǎng)量A(n-1),；輸出步長(zhǎng)量A(n),。將語(yǔ)言變量E和A分別定義為8個(gè)和6個(gè)模糊子集，即：
E={NB,，NM,，NS，NO,，PO,，PS，PM,，PB)
A={NB,，NM，NS,，PS,，PM，PB}
式中：NB,，NM,，Ns，NO,，PO,，PS，PM,，PB分別表示負(fù)大,、負(fù)中、負(fù)零,、正零,、正小、正中,、正大等模糊概念,，并且它們的論域規(guī)定為14個(gè)和12個(gè)等級(jí),，即：
E={-6，-5,，-4,，-3，-2,，-1,，-0，+0,，+1,，+2，+3,，+4,，+5，+6)
A={-6,，-5,，-4，-3,，-2,，-1，+1,，+2,，+3，+4,，+5,，+6}
3.2.2 MPPT的模糊控制算法
圖5中e(n)表示第n時(shí)刻與第n-1時(shí)刻輸出功率之差的實(shí)際值,；E(n)表示這個(gè)差值對(duì)應(yīng)于模糊集論域中的值,；a(n)表示第n時(shí)刻步長(zhǎng)的實(shí)際值；A(n)表示這個(gè)步長(zhǎng)值對(duì)應(yīng)于模糊集論域中的值,；Ke,，Ka分別為量化因子。
通過(guò)對(duì)光伏電池輸出P與占空比D之間的特性曲線(xiàn)分析,，并且考慮到外界環(huán)境因素對(duì)光伏電池輸出功率的影響,，對(duì)實(shí)際仿真結(jié)果進(jìn)行調(diào)整得到的最終控制規(guī)則如表1所示。
4系統(tǒng)建模與仿真
Matlab的模糊邏輯工具箱拓展了Matlab對(duì)模糊邏輯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力,，已經(jīng)成為運(yùn)用模糊手段解決工程問(wèn)題的重要工具,。在此結(jié)合Matlab7.1中的模糊邏輯工具箱進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。模糊邏輯工具箱在默認(rèn)狀態(tài)下給出了mamdani型控制器,，選擇“交”方法為min,；“并”方法為max,；推理方法為min；聚類(lèi)方法為max,；解模糊方法為重心法,。圖6為模糊邏輯工具箱界面。
模糊控制器設(shè)計(jì)完畢后,，利用Simulink搭建光伏電池模型,，如圖7所示。
其次搭建MPPT模糊控制系統(tǒng)如圖8所示,。
圖中,，subsystem為光伏電池模型；S函數(shù)只實(shí)現(xiàn)D(n)=D(n-1)+a(n)的功能,。其中,，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，量化因子Ka取0.01,；Ke取10,。模擬外界因素強(qiáng)度從600 W／m2突然增大到900 W／m2，表面溫度T=25℃,，并設(shè)置仿真最大步長(zhǎng)時(shí)間為0.025 s,，運(yùn)行時(shí)間為10 s。由此得到輸出功率波形如圖9所示,。
圖10為擾動(dòng)觀(guān)察法輸出功率的跟蹤波形,。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，采用模糊邏輯控制跟蹤光伏電池最大功率點(diǎn),，不僅跟蹤迅速,，而且達(dá)到最大功率點(diǎn)后基本沒(méi)有波動(dòng)，即具有良好的動(dòng),、穩(wěn)態(tài)性能,。
5結(jié)語(yǔ)
在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤時(shí)，根據(jù)跟蹤情況和電池表面溫度,、日照強(qiáng)度等外界因素的變化,，利用模糊控制來(lái)智能地調(diào)整步長(zhǎng)。
運(yùn)用Simulink建立模型并進(jìn)行仿真,，其結(jié)果表明,，將模糊控制運(yùn)用于最大功率跟蹤是可行的，并且表現(xiàn)出良好的控制性能,。