变结构模糊控制在光伏发电MPPT中的应用

第 44 卷第 2 期2010 年 2 月电力电子技术PowerElectronicsVol.44 ， No.2February， 2010定稿日期 ： 2009-10-19作者简介 ： 李畸勇 （ 1975- ）， 男 ， 贵州遵义人 ， 博士研究生 ， 研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用 。1 引 言光伏发电具有无污染 、 无噪声的特点 ， 它除阳光外无需其他生产原料 ， 是一种应用前景广泛的绿色能源 ， 目前已成为国内外学术界和工业界研究的热点 。 但由于光伏电池具有明显的非线性特性 ， 为了实现光伏发电系统的功率输出最大化 ， 需要对光伏电池的输出最大功率点 （ MPP） 进行跟踪 。 最大功率跟踪 （ MPPT） 电路控制 常 采 用 固 定 电 压 法 、 扰 动 观 察法 、 增量电导法以及模糊控制等方法 [1-2] 。 文中根据光伏电池的特性 ， 分析了相关的控制算法在光伏发电 MPPT 中的应用 ， 在采用模糊控制 MPPT 的基础上 ， 提出一种变结构模糊控制算法 ， 并进行了相应的实验研究 。 实验结果表明 ， 该算法具有较好的动态及稳态性能 。2 光伏阵列的特性光伏阵列的输出电流 、 电压关系及输出功率分别如式 （ 1），（ 2） 所示 [3]。I=I s- I 0 exp qUnkT! “-# $1 （ 1）P=IsU-I 0U exp qUnkT! “-% &1 （ 2）式中 ： I， I s， I 0 分别为光伏阵列输出电流 、 短路电流和反向饱和电流 ， Is与光照强度 S 和温度相关 ； q 为电荷常数 ； n 为光伏阵列中半导体器件 p-n 结系数 ； k 为 Boltzman常数 ； T 为绝对温度 。由式 （ 1），（ 2） 可见 ， P 是 S 和温度的函数 ， 是一个典型的非线性函数 ， 它在一定的外部条件下存在唯一最大值 。 多个光伏阵列串 、 并联就构成了光伏电池 。 图 1 示出不同光照强度和温度下的 P-V 曲线 。由图 1 可见 ， 光伏电池最大输出功率是随外界环境的变化而改变的 。 常用的 MPPT 方法有固定电压法 、 扰动观察法 、 增量电导法 。 固定电压法是设MPP的电压为一恒定值 ， 而实际的 MPP 将会随外部环境的变化而变化 ， 因此在实际变化环境中采用该方法虽简便 ， 但 P 会偏离 MPP， 产生较大的功率损失 。 扰动观察法和增加电导法是目前应用较多的两种方法 ， 这两种方法虽然转化效率高 ， 但 MPPT 电路功率开关的占空比调节量 △ d 为定值 ； 当 △ d 较大变结构模糊控制在光伏发电 MPPT 中的应用李畸勇 ， 王宏华（ 河海大学 ， 江苏 南京 210098）摘要 ： 讨论了光伏发电系统最大功率点跟踪 （ Maximum Power Point Tracking， 简称 MPPT） 常用控制方法的优缺点 ， 对光伏电池功率电压曲线进行了分析 。 根据分析结果将变结构模糊控制应用到光伏发电系统 MPPT 的控制 ， 能快速响应外界环境的变化 ， 使光伏发电系统始终工作在最大功率点 （ Maximum PowerPoint， 简称 MPP）。 在两种天气条件下的实验结果证明 ， 该方法能使系统在 MPP 稳定工作 ， 并能快速跟踪外部环境的变化 ， 具有良好的动 、 稳态性能 。关键词 ： 模糊控制 ； 光伏发电 ； 最大功率点跟踪中图分类号 ： TP273 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1000-100X （ 2010） 02-0004-03Variable Structure Fuzzy Control Applied in Maximum Power Point Trackingof Photovoltaic Power GenerationLI Ji-yong， WANG Hong-hua（ Hohai University， Nanjing 210098， China）Abstract ： The Advantages and disadvantagesabout the maximum power point tracking （ MPPT） methods in photovoltaicgeneration system are discussed.The Power-voltage curve of photovoltaic array is analyzed.According to power-voltagecharacteristics of photovoltaic array， variable structure fuzzy control method is introduced for MPPT of photovoltaic genera-tion system.Thesystem can track the maximum power point（ MPP） of photovoltaic cell rapidly by using variable structurefuzzy control when the environment changes quickly.The experimental results in two kinds of weatherconditions verify theproposedmethod can track the changesexternal environment， and the photovoltaic system can run in MPP with good dy-namic and static performances.Keywords ： fuzzy control； photovoltaic generation； maximum power point tracking图 1 不同 S， T 下的 P-V 特性曲线4时 ， MPP 速度快 ， 但在 MPP 附近会出现较大的功率振荡 ； 当 △ d 较小时 ， MPP 附近的功率振荡会显著减弱 ， 但系统对外界环境变化的响应能力变差 [4] 。 文献 [5] 将模糊控制应用到光伏发电的 MPPT 控制中 ，实验结果表明系统能快速响应外部环境变化 ， 减轻MPP 附近的功率振荡 。 从光伏电池的输出特性还可以发现 P-V 曲线特性在 MPP 两侧完全不同 ， 而传统的模糊控制的隶属度函数及控制规则未考虑光伏电池这一特点 ， 因此在 MPP 附近还存在一定的功率波动 。针对 MPPT 控制方法存在的问题以及光伏电池的特点 ， 将变结构模糊控制应用到光伏发电系统的MPPT 控制中 。 在特性曲线不同的区域采用不同的模糊控制规则和隶属度函数 ， 以加快系统对外界环境变化的响应速度 。该方法在光伏电池所处环境发生变化时可快速跟踪 MPP 变化 ， 使光伏发电系统始终输出最大功率 ， 同时也有效地消除系统输出功率在 MPP 附近存在的振荡现象 。3 变结构模糊控制的原理及设计由式 （ 2） 可推导出输出功率对输出电压的导数 ：dPdU =I s- I 0expqUnkT! “ 1+qUnkT! “-I 0 （ 3）式 （ 3） 表明该导数是 U 的单调函数 ， 当 U=0 时该值最大 ， 大小等于电池的短路电流 ； 随着 U 的增加 ， dP/dU 缓慢下降 ， 在 MPP 附近该值下降速度加快 ， 在 MPP 该 值 等 于 零 ； 随 着 U 进 一 步 增 加 ， dP/dU 变为负值 ， 绝对值快速上升 ， 远大于曲线在 MPP左侧的值 ， 特性曲线如图 2 所示 。由式 （ 3） 和图 2 可见 ， MPP 两侧相同电 压 的 变化将会使功率变化存在很大差异 ， 因此在特性曲线的不同区域应该采取不同的方法得到相应的 △ d， 实现光伏电池 MPPT。文中提出将整个曲线分为 3 个不同的区域 ， 在的不同区域采用不同结构的模糊控制 ， 即控制策略和隶属度函数不同 ， 可以有效消除功率振荡现象 。 当dP/dU>k1 时采用区域 1 模糊控制器 ； 当 k2＜ dP/dU＜ k1时采用区域 2 模糊控制器 ； 当 dP/dU0， k 2<0图 3 变结构模糊控制流程图△ e2e2NB NS ZON PB PM NSZ NM NS ZOP NB NM PSPS PBNM NBPS PMPM PB表 2 区域 2 的模糊规则表△ e3 e3NB NM NS ZONB PB PB PM PMNM PB PM PM PSNS PM PS PS ZOZO PM PS ZO ZOPS PM PS PS ZOPM PB PM PM PSPB PB PM PM PS表 3 区域 3 的模糊规则表变结构模糊控制在光伏发电 MPPT中的应用5第 44 卷第 2 期2010 年 2 月电力电子技术PowerElectronicsVol.44 ， No.2February， 2010率对应输出电流 Imp=2.33 A； 最大输出功率 Pm=80 W。该 系 统 的 核 心 是 变 结 构 模 糊 控 制 ， 由 芯 片TMS320F2812 DSP实现 。 光伏模块的输出电压和输出电流信号经检测后送到 DSP 控制器 ， 控制器对电压 、 电流信号进行处理 ， 并对其进行变结构模糊控制算法后 ， 得到 Boost 电路主开关占空比的调节量控制开关的变化 ， 从而使得系统工作在 MPP。 图 5 示出在光照变化频繁和晴天条件下的实验波形 。可见 ， 系统在晴天和太阳辐照度变化频繁的天气条件下均较好地实现了 MPPT 控制 ， P 的变化趋势与 S的趋势一致 ， 且 U 保持在 MPP 电压附近 。 MPP电压的波动是由于 S 和 T 的变化引起的 ， 由于辐照度强而使得电池板表面温度较高 ， 因此晴天时的最大功率输出电压比光照频繁时的电压低 。5 结 论文中针对光伏电池的特点 ， 将变结构模糊控制应用到光伏发电 MPPT 中 。 由实验结果可知 ， 在外界环境相对稳定的情况下 ， 变结构模糊控制具有良好的稳定性 ， 能使系统稳定工作在 MPP。 当外部环境突变时变结构模糊控制能快速 、 准确地跟踪 MPP 的变化 ， 具有良好的快速性 ， 因此光伏发电 MPPT 中具有良好的动 、 稳态性能 。参考文献[1] Nicola Femia， Giovanni Petrone， Giovanni Spagnuolo.Opti-mization of Perturb and Observe Maximum Power PointTracking Method[J].IEEETrans.on PowerElectronics， 2005，20（ 4）： 963-973.[2] 虞正琦 .基于模糊控制的光伏发电系统 MPPT技术研究 [D].武汉 ： 华中科技大学 ， 2007.[3] 张 超 ， 何湘宁 .非对称模糊 PID 控制在光伏发电 MPPT中的应用 [J].电工技术学报 ， 2005， 20（ 10）： 72-74.[4] 赵争鸣 ， 刘建政 ， 孙晓瑛 ， 等 .太阳能光伏发电及其应用 [M].北京 ： 科学出版社 ， 2007.[5] 何 薇 薇 ， 杨 金 明 .太 阳 能 光 伏 发 电 最 大 功 率 跟 踪 系 统 研究 [J].电力电子技术 ， 2008， 42（ 8）： 30-32.图 4 实验装置原理图!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! “!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!“!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!“!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!“2010年第 6 期 “ 可再生能源中的电力电子技术 ” 专辑征 文 启 事随着世界范围内能源短缺的加剧 ， 可再生能源发电受到了更多的重视 ， 更多大规模的可再生能源发电开始接入电力系统 ， 电力电子技术在可再生能源发电系统正常运行及并网控制中发挥了重要作用 。 大规模可再生能源发电系统的并网运行 ， 也将会逐渐降低其发电的成本 ， 使其在国民经济和社会发展中发挥出更大的作用 。为促进可再生能源电力电子技术的科研和生产 ， 促进可再生能源电力电子技术向生产力转化 ， 本刊拟将 《 电力电子技术 》 杂志 2010 年第 6 期辟为 “ 可再生能源中的电力电子技术 ” 专辑 ， 以集中反映这一技术领域的最新科研成果 ， 关键技术发展和创新 ，新装备 、 新产品的设计 、 生产和运行经验 ， 国外相关情况和发展趋势 。 欢迎相关产品生产企业和研究机构的专家学者踊跃投稿 。专题的征文范围包括 ： ① 可再生能源发电系统中电力电子变流器拓扑 。 包括风力发电 、 太阳能光伏发电 、 地热发电 、 潮汐发电和节能等 ； ② 电力电子变流器及其控制 ， 包括高压和大功率变流器 ； ③ 可再生能源系统的高效率电能转换技术 ； ④ 多个变流器系统集成及其控制 ； ⑤ 大规模可再生能源电力输送及接入系统 ； ⑥ 各种并网能源之间的协调控制方法 、 测试方法及先进并网控制方法 ； ⑦ 分布式发电系统的最大能量捕获 、 孤岛效应检测和安全保护 ； ⑧ 电能质量 、 储存 、 电能管理和混合能源系统 ； ⑨ 可再生能源系统的通讯 、 控制和监测 。欲投稿的作者请在 2010 年 3 月 30 日前将论文寄到本刊编辑部 （ email： dldzjstg@163.com）， 并注明 “ 可再生能源 ” 字样 。所投论文将按本刊常规评审程序请国内同行专家评审 。 评审结果将于 2010 年 4 月 30 日前通知作者 。 本刊将请哈尔滨工业大学徐殿国教授为该专辑的特邀主编 ， 对该领域的研究及该专辑的论文进行分析与点评 。截稿日期 ： 2010 年 3 月 20 日 录用通知发出日期 ： 2010 年 4 月 30 日论文刊登期号 ： 2010 年第 6 期 （ 2010 年 6 月 20 日出版 ）6