光伏发电阵列输出的变论域模糊滞环MPPT控制研究
朱镜儒，粟时平，刘桂英，明志勇，梁利民
长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410002
Email: 149829644@https://www.doczj.com/doc/b31527083.html,
摘 要：通过研究光伏发电系统的最大功率点跟踪算法，分析光伏电池的输出特性。根据分析结果，本文提出一种基于变论域模糊滞环理论的MPPT控制方法，该方法能快速感知外部环境变化，有效消除采用单一模糊控制带来的在最大功率点附近振荡的问题，减少了能量流失。实验结果证明，该方法能使光伏系统稳定在MPP处工作，消除了振荡，提高了转换效率。
关键字：变论域；模糊滞环控制；光伏发电；最大功率点跟踪
Variable Universe Fuzzy Hysteresis Control Applied in Maximum Power Point Tracking of Photovoltaic Power Generation Array Output
SU Shi-ping,ZHU Jing-ru,MING Zhi-yong,Liang li-min
College of Electrical and Information Engineering,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410002,China
Email:149829644@https://www.doczj.com/doc/b31527083.html,
Abstract:The photovoltaic generation system of maximum power point tracking(MPPT) algorithm is researched.The output characteristics of photovoltaic cell is analyzed.Based on the results,variable universe fuzzy hysteresis comparison method is introduced for MPPT of photovoltaic generation system,which can track the maximum power point of photovoltaic cell rapidly when the environment changes quickly,effectively eliminating the use of a single fuzzy control brings MPP oscillation problem and reducing energy loss.Experimental results show that,the proposed method tracks MPP exactly and quickly,eliminating the oscillation,greatly improving energy conversion efficiency. Keywords: variable universe; fuzzy hysteresis control; MPPT
1 引言
光伏阵列的非线性输出特性和光照、温度等外部环境的无规律变化，导致光伏阵列最大功率输出点处于不稳定状态，降低光伏发电转换效率。国内外研究领域基于传统单一扰动控制方法提出的变步长扰动观察法解决了传统扰动观察法的步长问题，提高了跟踪速度和精度，但振荡问题仍存在，且抗干扰能力弱，容易出现误判。而滞环比较控制则是双向扰动控制，解决了在最大功率点振荡问题，但其定环宽影响系统跟踪精度和速度，应变能力差，该方法同样抗干扰能力弱。
不少学者提出将模糊控制应用于光伏发电这种具体数学模型和日照、温度等外部环境不明确的复杂系统。如模糊PID控制是同时引入模糊控制和PID控制，在大范围用模糊控制，小范围精度高用PID控制。其优点能快速响应，快速跟踪，消除振荡；但缺点是两种控制方法间切换的设计应用复杂，容易造成系统不稳定，鲁棒性差。而变论域模糊控制在不引入多个模糊规则形式下，通过伸缩变量论域，实现以不同模糊控制精度跟踪最大功率点。该方法响应快、设计简单，抗干扰能力强；但属于有差控制，存在振荡，易导致系统波动。
为解决控制精度与跟踪速度间的矛盾，既能快速响应跟踪，又能稳定在最大功率点，消除振荡。综合上述方法优缺点，提出变论域模糊滞环控制，根据光伏阵列输出功率偏差及偏差变化量自动改变变量论域实时改变滞环步长，使系统不仅快速响应，抗干扰能力强，而且消除系统振荡和误差，解决了控制精度与跟踪速度间矛盾，进一步提高了动稳态性能和转换效率。
2 变论域模糊滞环控制策略的基本原理
2.1模糊控制原理
模糊控制根据系统测量数据，参考专家经验，即模糊规则表，在没有精确数学模型下，依据数据权重对系统进行精确实时控制。非线性光伏阵列系统的精确数学模型无法得到，因此将模糊控制应用于光伏阵列具有响应快，抗干扰能力强的优点。
系统测量数据为具体数值，无法直接用于模糊控制，需经过一定方式转变成对应模糊规则的大、中、小模糊量，即模糊化；将模糊化后的数据经过模糊规则推理，得出模糊控制量；最后，为能用于控制系统中，需将模糊控制量经一定方法转变成具体数值，即去模糊化。
2.2变论域原理
常规模糊控制对光伏阵列最大功率点两侧不同变化趋势很难作出灵活地变化。因而，提出变论域思想，基本原理是在控制规则不变形式下，模糊论域随输入偏差变化而变化。偏差增大，论域随之变大；偏差变小，论域随之缩小。即当工作点在最大功率点左边变化较平稳区域，适当扩大模糊论域，达到快速跟踪目的；当工作点在最大功率点右边变化较急区域，适当缩小模糊论域，达到精确定位要求。通过适当变化论域，提高了控制精度，减小了稳态误差和波动。
2.3滞环比较原理
滞环比较法是基于扰动观察法提出的，其原理是在已知当前工作点A，并按照n-1时刻给出的方向和步长将要测得B 点基础上反向两个步长增加第三个点C，如图2所示。记A、B、C 点的功率为A P 、B P 、C P 。基于滞环的电压扰动规则为：C A A B P P P P >≥,，电压保持原方向变动；B A C A P P P P ≥>,,电压保持不变；B A A C P P P P ≥>,，电压反方向变动。
图2 滞环比较B、C 点位置示意图
2.4 变论域模糊滞环控制
定义)
(x α,当X x ∈?,有])(,)([)()(E x E x X x x X ααα?==，称)(x X 为X 上的变论域，α为论域X 的伸缩因子。由定义可看出论域可在模糊规则不变的情况下随误差的变化而伸缩，从另一方面也可看作增加了模糊控制规则，提高了控制精度。
为了直观地确定伸缩因子，本文采用基于模糊规则的伸缩因子计算方法。首先确定模糊控制器结构为双输入单输出。输入为功率偏差量)1()()(??=n P n P n E 和偏差变化量
)
1()()
1()()(????=
n U n U n P n P n E C ，输出为滞环扰动环宽H Δ。
输入初始论域分为７个模糊集：ＮＢ（负大）、ＮＭ（负中）、ＮＳ（负小）、Ｚ（零）、ＰＳ（正小）、ＰＭ（正
中）、ＰＢ（正大）。将输入论域对应的伸缩因子α、
c α分为４个模糊集———Ｚ、Ｓ、Ｍ、Ｂ，输出论域伸缩因子β分为６个模糊集———Ｚ、ＶＳ、Ｓ、Ｍ、Ｂ、ＶＢ。输入、输出论域伸缩因子规则表如表1.
表
1 模糊规则表
从控制角度而言，变论域模糊具有良好自适应和快速响应等优点，但不能稳定在最大功率点处，在其附近振荡，造成一部分能量损失。而滞环比较控制可以较大程度的消除振荡，针对光伏电池的 pv pv U P ?特性，其滞环控制环节如图3所示。
图3 滞环比较示意图
当功率波动在所设滞环内出现，光伏阵列工作电压保持不变。当功率波动超过滞环，光伏阵列工作电压按照预先设定规律改变。从而可知，滞环比较通过双向扰动确保跟踪可靠性，有效抑制振荡现象。
和扰动观察法一样，定环宽过大，则会影响系统跟踪的精度；定环宽过小，则会影响系统跟踪的时间。因此，通过变论域模糊控制实时调节滞环比较控制的环宽，达到在不同区域采用不同的控制精度和滞环环宽，使系统既具有快速响应速度和良好的精度，同时能稳定在MPP 工作。
3 基于变论域模糊滞环控制策略的光伏阵列输出MPPT 控制
3.1光伏发电系统的基本构成
光伏发电系统分为独立式光伏发电系统如图4所示和并网式光伏发电系统如图5所示。独立式光伏发电系统是指向负载直接提供电能而不与电网连接，主要特征是需要储能设备以满足阴天或夜晚的供电，该方式一般适用于偏远的无电地区。但因供电稳定性和
可靠性受外部环境影响大，所以不被广泛采用。并网
式光伏发电系统则是直接与主电网连接，阳光充足时，光伏发电系统发出的电能不仅可以供给负载使用，而且多余的电能还可以输入主电网内；当无阳光时，负载所需电能全由主电网提供。并网式光伏发电系统由光伏阵列、并网功率接口、系统控制器和主电网组成。
图4 独立式光伏发电系统
图5 并网式光伏发电系统
对于独立式和并网式光伏发电系统，光伏电池阵列都是其发电系统核心，其通过光电效应将太阳能直接转换成直流电，但其转换效率提高甚微，使光伏电池成本居高不下。光伏电池输出功率是由多种外界因素决定的非线性曲线。尽管温度和光照强度不变，输出电压也是变化的，但某一特定的电压值对应的输出功率是最大的，即光伏电池最大功率点。为了最大化利用太阳能，降低发电成本，应通过MPPT 控制策略，使光伏电池尽量在最大功率点处工作。
3.2伏阵列输出变论域模糊滞环MPPT 控制的
原理
本文采用变占空比的变论域模糊滞环控制作为光伏阵列MPPT 控制策略。由Boost 电路工作原理可知
D U
U PV ?=1，其中D 为开关占空比。在功率平衡的情况
下，开关的占空比发生变化后，光伏器件的pv I 、pv U 、
pv P 随之改变，控制器根据功率偏差量E 和偏差变化
量C E 的变化情况调整模糊论域改变滞环宽度，进而改变开关的占空比调节光伏阵列工作电压PV U ，使pv P 不断增加，达到最大功率点输出。光伏阵列最大功率
点跟踪系统结构如图6所示。
图6 光伏发电最大功率点跟踪系统结构图
3.3光伏阵列变论域模糊滞环MPPT 控制的实现过程
MPPT 变论域模糊滞环控制器如图7所示。设当前系统测量光伏阵列输出电压、输出电流为PV U 、PV I ，经过计算环节得到输出功率PV P ，并根据上一时刻输出电压1U 和输出功率1P ，
经过连续控制环节得到功率偏差量)1()()(??=n P n P n E 和偏差变化量
)
1()()
1()()(????=
n U n U n P n P n E C 。在变论域模糊环节，根据
)(n E 及)(n E C 的值，确定系统工作在光伏阵列P-V 曲
线的区域，当工作点在P-V 曲线左侧较平缓且离最大功率点较远区域，加大伸缩因子，扩大模糊论域输出较大滞环环宽H Δ，达到快速跟踪目的；在P-V 曲线左侧离最大功率点不远区域，细微加大伸缩因子，输出适中滞环环宽H Δ，达到稳定准确靠近；在最大功率点附近区域，减小伸缩因子，输出小的滞环环宽H Δ，达到精确定位要求；在P-V 曲线右侧较陡区域，适中减小伸缩因子，输出适中滞环环宽H Δ，达到准确快速返回最大功率点附近。其中，变论域模糊控制的去模糊采用加权平均法，其计算方法如式（1）：
∑∑===
m
k k
m
k k
k w
w
u u 1
1
（1）
式中，m 为最大有效规则数，k w 为加权因子，其选取组成模糊控制向量元素自身的隶属度，k u 为u 在隶属度函数中对应值。
图7 MPPT 变论域模糊滞环控制器结构
滞环控制环节通过变论域模糊环节得到的环宽H Δ的扰动得到B P 、C P ，并依据电压扰动规则，当C A A B P P P P >≥,，电压正方向变动，即占空比D 减小H Δ2
1
，使工作点电压增加并移至B 点；当
B A A
C P P P P ≥>,，电压反方向变动，即占空比
D 增加
H Δ2
1
，使工作点电压减小并移至C 点；当C A B A P P P P >≥,，电压保持不变，即占空比D 保持不
变，工作点电压维持在A 点，并在下一时刻以更小的环宽H Δ进行控制，使系统最终稳定在最大功率点处。具体流程图如图8所示
图8 变论域模糊滞环控制方法流程图
4 仿真结果 4．1 光伏电池特性
根据文献[2]，得出输出电流、电压的关系公式（2）：
sh s s L R IR U AKT IR U q I I dU dP I +??
????????????+?==
1(exp 0 （2） 式中，A：理想因子，一般取1-2之间；L I ：光生电流；0I ：光伏电池反向饱和电流；T：光伏温度；q ：电荷常数；K：Boltzman 常数；sh R ：等效并联电阻；s R ：等效串联电阻。
由于式（2）各项参数难以确定，依据简化电池特性物理模型得：
)]1(1[)/(12??=OC U C U SC e C I I （3） 其中，
)/(12)/1(oc m U C U SC m e I I C ??= （4） 12)]/1)[ln(1/(???=SC m OC m I I U U C （5）
根据式（3）-（5），利用MATLAB/simulink 模块搭建光伏电池仿真模型，如图9所示。光伏电池输出特性曲线，如图10所示
图9 光伏电池模型
图10 光伏电池输出特性曲线
根据上图可知，光伏电池是一种非线性电源，输出功率随着外界环境变化而变化。光照强度增大，最大输出功率增加；光照强度减小，最大输出功率减小。然而温度增大时，最大输出功率减小；温度减小时，最大输出功率增大。因而，在一定的外界环境下，光伏电池具有唯一一个最大功率输出点。本文采用变论域模糊滞环控制，在P-V 特性曲线的不同区域，通过
改变变量论域，生成不同控制精度的模糊规则，达到
变环宽滞环控制以最大功率输出，具有精度高、响应快、稳定性好的特点。
4．2 光伏电池阵列输出控制仿真
为验证上述方法可行性与实用性，利用MATLAB/SIMULINK 仿真软件平台搭建模型进行仿真验证，其中MPPT 控制模块采用S 函数对最大功率点进行跟踪。仿真模型如图11所示，对仿真模型分别进行扰动观察法、模糊控制以及变论域模糊滞环控制的仿真，从而可形成对比。
当温度稳定在C D 25，在0.15s 时，光照强度从2/600m W 上升至2/1000m W ，三种控制方法的MPPT 仿真结果。从图12所示可知，采用扰动观察法的MPPT 控制不仅响应速度慢，而且在最大功率点附近的振荡较大；图13采用模糊控制的最大功率点跟踪方法，在响应时间和最大功率点附近的振荡较扰动观察法都有一定的改进；图14则为采用本文提出的变论域模糊滞环控制方法，从图中可看出，系统响应时间较前两者有了更进一步的提高，并且克服了最大功率点附近的功率振荡问题，说明了变论域模糊滞环控制提高了响应速度和精度，并且改善了系统动稳态性能，提高了系统转换效率。
图11 变论域模糊滞环仿真电路图
T/s
P /W
图12 扰动观察法波形图
T/s
P /W
图13 模糊控制波形图
T/s
P /W
图14 变论域模糊滞环控制波形图
6 结论
本文通过对光伏电池特性及最大功率点跟踪问题的分析研究，提出了基于传统模糊控制技术和扰动观察法的变论域模糊滞环控制方法。该方法通过改变变量论域进而改变滞环控制环宽，达到精确快速跟踪最大功率点，消除振荡的目的。仿真结果证明，变论域模糊滞环控制不仅缩短了系统响应时间，减少了MPP 处的振荡，而且改善了系统的动稳态性能。
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