基于模糊控制算法的光伏电池MPPT设计

２ ０ １ １ 年 ９ 月 ２ ５ 日第 ２ ８ 卷第 ５ 期 Ｔ ｅ ｌ ｅ ｃ ｏ ｍ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｓ ｅ ｐ ． ２ ５ ， ２ ０ １ １ ， Ｖ ｏ ｌ ． ２ ８ Ｎ ｏ ． ５收稿日期 ２ ０ １ １ － ０ ４ － ０ ７作者 简 介 王 文 彬 （ １ ９ ８ ５ － ） ， 男 ， 湖 北 人 ， 在 读 研 究 生 ， 研 究 方 向电力电子变换技术 。文章编号 １ ０ ０ ９ － ３ ６ ６ ４ （ ２ ０ １ １ ） ０ ５ － ０ ０ ４ ４ － ０ ３ 设计应用基于模糊控制算法的光伏电池 Ｍ Ｐ Ｐ Ｔ 设计王文彬（ 武汉理工大学 自动化学院 ， 湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ０ ）摘要 介绍了光伏电池的特性 ， 分析了光伏电池最大功率点跟踪 （ Ｍ Ｐ Ｐ Ｔ ） 的原理 ， 针对光伏电池具有非线性和时滞性的特点 ， 提出了一种模糊控制算法来跟踪光伏电池的最大功率点 。 仿真结果显示 ， 系统具有良好的控制性能 。关键词 光伏电池 ； 最大功率点 ； 模糊控制算法中图分类号 ＴＭ ６ １ ５ 文献标识码 ＡＤ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ Ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｉ ｃ Ｂ ａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｙ Ｍ Ｐ Ｐ Ｔ Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｆ ｕ ｚ ｚ ｙ － Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍＷＡ Ｎ Ｇ Ｗ ｅ ｎ － ｂ ｉ ｎ（ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， Ｗ ｕ ｈ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｗ ｕ ｈ ａ ｎ ４ ３ ０ ０ ７ ０ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ， ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｉ ｃ ｃ ｅ ｌ ｌ ｓ ｉ ｓ ｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉ ｂ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ｏ ｆ ｍ ａ ｘ ｉ ｍ ｕ ｍ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｐ ｏ ｉ ｎ ｔｔ ｒ ａ ｃ ｋ ｉ ｎ ｇ （ Ｍ Ｐ Ｐ Ｔ ） ｏ ｆ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｉ ｃ ｉ ｓ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ． Ｆ ｏ ｒ Ｐ Ｖ ｃ ｅ ｌ ｌ ｓ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｎ ｏ ｎ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ａ ｎ ｄ ｔ ｉ ｍ ｅ ｄ ｅ ｌ ａ ｙ ， ｔ ｈ ｅ ｆ ｕ ｚ ｚ ｙ －ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ ｉ ｓ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ａ ｐ ｐ ｒ ｏ ａ ｃ ｈ ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｘ ｉ ｍ ｕ ｍ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ． Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｈ ａ ｓ ｇ ｏ ｏ ｄ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ ．Ｋ ｅ ｙ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｉ ｃ ｃ ｅ ｌ ｌ ｓ ； ｍ ａ ｘ ｉ ｍ ｕ ｍ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ； ｆ ｕ ｚ ｚ ｙ － ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ０ 引 言随着不可再生能源的日益耗尽 ， 可 再生能源的使用正在逐步扩大 。 近些年 ， 光伏发电凭借其容易获取 、无污染 、 可长期使用等优点 ， 逐步深入人们的生活 。 在光伏发电系统中 ， 光伏电池 的最大 功率跟踪技术是决定光伏发电系统效率的关键技术 ［ １ ］ 。 目前常用的最大功率点跟踪方法如扰动观察法 、 电导增量法 、 恒定电压法等 ， 都存在一些问题 ， 例如控 制 精度差 、 容易造成误判 、 算法复杂 。 针对这些问题 ， 本文提出一种模糊控制算法来跟 踪 光 伏 电 池 的 最 大 功 率 点 。 从 仿 真 结 果 看来 ， 该控制系统具有良好的控制性能 。１ 光伏电池的特性光伏电池的物理基础是由两种不同半导体材料构成的大面积 Ｐ Ｎ 结 ， 以及非平衡 少 数载流 子 在 Ｐ Ｎ 结内建电场作用下形成的漂移电流 。 实际中 ， 当 收 到 光照的光伏电池接上负载时 ， 光生电流流经负载 ， 并在负载两端建立起端电压 ， 这时 光伏电 池的工作情况可用图 １ 所示的等效电路来描述 。 图中把光伏电池看成能稳定地产生 光 电 流 Ｉ ｐ ｈ 的 电 流 源 。 其 中 ， Ｒ Ｓ 为 串 联 电阻 ， Ｒ ｓ ｈ 为旁漏电阻 ， 也称为跨接电阻 ， 它是由于硅片表面不清洁或体内的缺陷引起的 。 显然 ， 二极管的正向电流 Ｉ Ｄ 与 旁路 电流 Ｉ ｓ ｈ 都要靠 Ｉ Ｌ 提供 ， 剩余的 光 电 流经过 Ｒ ｓ ， 流出光伏电池而进入负载 。图 １ 光伏电池的等效电路图 ２ 给出的是同一温度下 ， 不同光照条件下光伏电池的伏安特性曲线 。 图 ３ 给出的是同一光照强度下 ， 不同温度光伏阵列的伏安特性曲线 。 可以看出光伏电池的输出最大功率 Ｐ ｍ ａ ｘ 、 空载电压 Ｕ ｏ ｃ 和短路电流 Ｉ ｓ ｃ 都受到光照强度和环境温度的影响 ， 为了使光伏阵列的效率最高 ， 使光伏电池工作在最大功率点是非常必要的 。图 ２ 相同温度不同光照下光伏阵列的伏安特性曲线２ 光伏电池最大功率点的跟踪方法一般的光伏发电系统都是由光伏电池与电力电子变换器所组成 （ 如图 ４ ） 。 虽然光伏电池和电力电子变换器都是非线性的 ， 但是在短时间内 ， 可以认为是线性电路 。 根 据 电 路 理 论 中 的 阻 抗 匹 配 原 则 可 知 ， 当 负４４２ ０ １ １ 年 ９ 月 ２ ５ 日第 ２ ８ 卷第 ５ 期王文彬 等 基于模糊控制算法的光伏电池 Ｍ Ｐ Ｐ Ｔ 设计 Ｔ ｅ ｌ ｅ ｃ ｏ ｍ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙＳ ｅ ｐ ． ２ ５ ， ２ ０ １ １ ， Ｖ ｏ ｌ ． ２ ８ Ｎ ｏ ． ５图 ３ 相同光照强度不同温度光伏阵列的伏安特性曲线载电阻等于电源内阻时 ， 电 源有最 大 功率输出 。 等 效地将光伏电池看成是直流电源 ， 把 电力 电子变换器看成外部阻性负载 ， 通过调节 电力电 子电路中开关管的占空比 Ｄ 来调 节 负 载 ， 使 两 者 动 态 负 载 匹 配 ， 实 现 光伏电池的最大功率点跟踪 。图 ４ 简易光伏发电系统结构图３ 最大功率点模糊控制系统的设计建立一个模糊控制系统 ， 首先必须完成以下内容 （ １ ） 确定模糊控制器的输入变量和输出变量 ；（ ２ ） 归纳和总结模糊控制器的控制规则 ；（ ３ ） 确定模糊化和反模糊化的规则 ；（ ４ ） 选择论域并确定有关参数 。３ ． １ 输入输出变量的确定根据前面对光伏电池最大功率点跟踪的论述 ， 决定选用双输入单输出的模糊控制系统 ， 输入量包括光伏电池第 ｎ 时刻的功率与第 ｎ － １ 时刻的功率之差 Ｅ ，以及第 ｎ － １ 时刻的占空比的步 长 值 Ｔ （ ｎ － １ ） ， 输 出量为第 ｎ 时刻的占空比的步长值 Ｔ （ ｎ ） 。 模糊控制器的控制图如图 ５ 所示 。 Ｅ 和 Ｓ 都定义 ５ 个模糊子集 Ｅ ＝ ｛ Ｎ Ｂ ， Ｎ Ｓ ， Ｚ Ｚ ， Ｐ Ｓ ， Ｐ Ｂ ｝Ｔ ＝ ｛ Ｎ Ｂ ， Ｎ Ｓ ， Ｚ Ｚ ， Ｐ Ｓ ， Ｐ Ｂ ｝式中 ， Ｎ Ｂ 、 Ｎ Ｓ 、 Ｚ Ｚ 、 Ｐ Ｓ 、 Ｐ Ｂ 分别表示负大 、 负小 、 零 、 正小 、 正大等模糊概念 。 并且将它们的论域分为 １ １ 个等级 ， 即 图 ５ 模糊控制系统示意图Ｅ ＝ ｛ － ５ ， － ４ ， － ３ ， － ２ ， － １ ， ０ ， １ ， ２ ， ３ ， ４ ， ５ ｝Ｔ ＝ ｛ － ５ ， － ４ ， － ３ ， － ２ ， － １ ， ０ ， １ ， ２ ， ３ ， ４ ， ５ ｝３ ． ２ 隶属度函数的确定本文选择三角形作为隶属度函数的形状 ， 图 ６ 、 图７ 、 图 ８ 分别为 Ｅ （ ｎ ） 、 Ｔ ｎ － １ 、 Ｔ ｎ 的隶属度函数 。图 ６ Ｅ （ ｎ ） 的隶属度函数图 ７ Ｔ （ ｎ － １ ） 的隶属度函数图 ８ Ｔ （ ｎ ） 的隶属度函数３ ． ３ 模糊控制规则的确定通过对光伏电池 输出 Ｐ 与占空比 Ｄ 之间的特性曲线分析 ， 并且考虑到外界环境因素对光伏电池的输出功率的影响 ， 通过对实际结果进行调整得到的最终控制规则如表 １ 所示 。表 １ 模糊控制规则示意表Ｔ （ ｎ － １ ）Ｔ （ ｎ ）ＥＮ Ｂ Ｎ Ｓ Ｚ Ｚ Ｐ Ｓ Ｐ ＢＮ Ｂ Ｐ Ｂ Ｐ Ｓ Ｎ Ｓ Ｎ Ｓ Ｎ ＳＮ Ｓ Ｐ Ｓ Ｐ Ｓ Ｎ Ｓ Ｎ Ｓ Ｎ ＳＺ Ｚ Ｎ Ｓ Ｎ Ｓ Ｚ Ｚ Ｐ Ｓ Ｐ ＳＰ Ｓ Ｎ Ｓ Ｎ Ｓ Ｎ Ｓ Ｐ Ｓ Ｐ ＳＰ Ｂ Ｎ Ｓ Ｎ Ｓ Ｎ Ｓ Ｐ Ｓ Ｐ Ｂ３ ． ４ 解模糊方法与仿真运用 ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ 中的 Ｇ Ｕ Ｉ 对系统进行仿真 ， 选择Ｍ ａ ｍ ｄ ａ ｎ ｉ 型控制器 ， 解 模 糊 方 法 为 重 心 法 ， 选 定 “ 交 ”的方法 为 ｍ ｉ ｎ ； “ 并 ” 的 方 法 为 ｍ ａ ｘ ； 推 理 的 方 法 为ｍ ｉ ｎ ； 聚类方法为 ｍ ａ ｘ 。光伏电池在标准状况下 （ 光照 １ ０ ０ ０ Ｗ ／ ｍ ２ ， 温度５４２ ０ １ １ 年 ９ 月 ２ ５ 日第 ２ ８ 卷第 ５ 期 Ｔ ｅ ｌ ｅ ｃ ｏ ｍ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｓ ｅ ｐ ． ２ ５ ， ２ ０ １ １ ， Ｖ ｏ ｌ ． ２ ８ Ｎ ｏ ． ５２ ５ ０ Ｃ ） 经过仿真实验 ， 结果如图 ９ 所示 。 模拟外界环境变化 ， 光照强度从 ８ ０ ０ Ｗ ／ ｍ ２ 突然跃变到 １ ０ ０ ０ Ｗ ／ ｍ ２ ，仿真结果如图 １ ０ 所示 。图 ９ 光伏电池在光照 １ ０ ０ ０ Ｗ ／ ｍ ２ ， 温度 ２ ５ ０ Ｃ 时的输出功率图 １ ０ 光伏电池在光照强度从 ８ ０ ０ Ｗ ／ ｍ ２跃变到 １ ０ ０ ０ Ｗ ／ ｍ ２ 时的输出功率４ 结 语从仿真结果看出 ， 利用模糊控制算法可以使光伏电池快速的到达最大功率点 ， 并且能够稳定地工作在最大功率点 。 当外界条件突然发生变化时 ， 光伏电池可以迅速返回到最大功率点 ， 并且稳定的工作于最大功率点 。参考文献 ［ １ ］ 王 立 乔 ， 孙 孝 峰 ． 分 布 式 发 电 系 统 中 的 光 伏 发 电 技 术［ Ｍ ］ ． 北京 机械工业出版社 ， ２ ０ １ ０ ．［ ２ ］ 武 剑 ． 基于光 伏 智 能 功 率 模 块 的 单 相 光 伏 并 网 系 统 研究 ［ Ｄ ］ ． 重庆 重庆大学硕士论文 ， ２ ０ ０ ９ ．［ ３ ］ 石辛民 ． 模糊控制及其 ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ 仿真 ［ Ｍ ］ ． 北京 清华大学出版社 ， ２ ０ ０ ８ ．［ ４ ］ 赵 宏 ， 潘俊民 ． 基于 Ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 电 路 的 光 伏 电 池 最 大 功 率 点跟踪系统 ［ Ｊ ］ ． 电力电子技术 ， ２ ０ ０ ４ ， ３ ８ （ ３ ） ５ ５ － ５ ７ ．［ ５ ］ Ｃ ｈ ｅ ｅ Ｗ ｅ ｉ Ｔ ａ ｎ ， Ｇ ｒ ｅ ｅ ｎ Ｔ Ｃ ， Ｈ ｅ ｒ ｎ ａ ｎ ｄ ｅ ｚ － Ａ ｒ ａ ｍ ｂ ｕ ｒ ｏ Ｃ Ａ． Ａ ｎｉ ｍ ｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ ｍ ａ ｘ ｉ ｍ ｕ ｍ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ｔ ｒ ａ ｃ ｋ ｉ ｎ ｇ ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ ｗ ｉ ｔ ｈｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ － ｍ ｏ ｄ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｆ ｏ ｒ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｉ ｃ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ［ Ｃ ］ ． Ｉ ｎ －ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｃ ｏ ｎ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｎ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ Ｄ ｒ ｉ ｖ ｅ ｓＳ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｓ ． Ｋ ｕ ａ ｌ ａ Ｌ ｕ ｍ ｐ ｕ ｒ ， Ｍ ａ ｌ ａ ｙ ｓ ｉ ａ ． ２ ０ ０ ５ ， １ ４ ８ ９ － ４ ９ ４ ．［ ６ ］ 茆 美 琴 ， 余 世 杰 ， 苏 建 徽 ． 带 有 Ｍ Ｐ Ｐ Ｔ 功 能 的 光 伏 阵 列Ｍ ａ ｔ ｌ ａ ｂ 通用仿 真 模 型 ［ Ｊ ］ ． 系 统 仿 真 学 报 ， ２ ０ ０ ５ ， １ ７ （ ５ ） １ ２ ４ ８ － １ ２ ５ １檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨．行业信息华为独家中标 Ｔ ｅ ｌ ｅ ｎ ｏ ｒ 十国国际关口局 、 核心路由器整网搬迁及全网综合代维项目华为 ， 全球领先的信息与通信解决方案供应商 ， 宣 布 独 家 中 标 全 球 领 先 的 移 动 通 信 服 务 提 供 商 Ｔ ｅ ｌ ｅ ｎ ｏ ｒ Ｇ ｌ ｏ ｂ ａ ｌ Ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｃ ｅ ｓ （ Ｔ ｅ ｌ ｅ －ｎ ｏ ｒ ） 为期五年的国际关口局 、 核心路由器整网搬迁及 综 合 代 维 项 目 。 该 项 目 涉 及 挪 威 、 英 国 、 德 国 、 荷 兰 、 新 加 坡 、 香 港 、 巴 基 斯 坦 、孟加拉 、 泰国和马来西亚等欧亚十国 ， 近 １ ７ ０ 个国际运营商的语音和数据全球互通业务 。Ｔ ｅ ｌ ｅ ｎ ｏ ｒ 此次网络升级服务涉及 １ ０ 个国家近 １ ７ ０ 家国际运营商 的 整 网 搬 迁 和 综 合 代 维 ， 对 合 作 方 在 解 决 方 案 完 整 性 、 产 品 成熟度 、 综合代维能力等方面要求极端苛刻 。 华为凭借全球 １ ６ ５ 个国家 、 ３ ９ ５ 家运营商的超过 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