基于模糊策略的光伏發(fā)電MPPT控制技術(shù)

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源問題日益尖銳，越來越多的國家開始關(guān)注能源利用及轉(zhuǎn)換效率的問題。光伏發(fā)電具有無污染、無噪音、取之不盡、用之不竭等優(yōu)點(diǎn)，因而越來越受關(guān)注。但是由于光伏系統(tǒng)本身非線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)問題。

　　MPPT本質(zhì)上是一個(gè)尋優(yōu)過程。通過測(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Tr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，能源問題日益尖銳，越來越多的國家開始關(guān)注能源利用及轉(zhuǎn)換效率的問題。光伏發(fā)電具有無污染、無噪音、取之不盡、用之不竭等優(yōu)點(diǎn)，因而越來越受關(guān)注。但是由于光伏系統(tǒng)本身非線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)問題。

　　MPPT本質(zhì)上是一個(gè)尋優(yōu)過程。通過測(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Tr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變化到無窮大時(shí)，即可得到如圖2所示太陽能電池的輸出特性曲線。調(diào)節(jié)負(fù)載電阻RL到某一值Rm時(shí)，在曲線上得到一點(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)載線與I-V曲線的交叉點(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)已提出過多種方法，如電壓回授法、擾動(dòng)觀察法、功率回授法、直線近似法、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控制器通過調(diào)整PWM信號(hào)的占空比D，來調(diào)節(jié)輸入／輸出關(guān)系，從而達(dá)到阻抗匹配的功能。