2 　　电子技术应用 　 《现代电子技术》2009 年第 15 期总第 302 期 基于模糊控制的光伏电池 MPPT 的设计 张礼胜 ,李 　全 (五邑大学 信息学院 　广东 江门 　529020) 2 2 摘 　要 :分析了太阳能光伏发电过程中最大功率点的原理 ,以及当前获得最大功率点的几种主要方法 ,提出了利用模糊 控制来获取最大功率点的方法 ,模糊控制能够有效地克服光伏电池的非线性和时滞性 ,跟踪迅速 ,而且反应灵敏 ,计算量小 , 控制精度高 ,受外界影响小 。并给出模糊控制器的详细设计过程 ,进行了 Matlab 仿真 ,获得了理想的结果 ,对比得出模糊控 制方法的优越性 。 关键词 :光伏电池 ;MPP T ;模糊控制 ;最大功率点 中图分类号 : TP18 　　　　　文献标识码 :A 　　　　　文章编号 :1004 373X(2009) 15 165 03 Design on Photovoltaic Cell MPPT Based on Fuzzy Control ZHAN G Lisheng ,L I Quan (Department of Information ,Wuyi University ,Jiangmen ,529020 ,China) Abstract : The principle of Maximum Power Point Tracking (MPPT) in the process of power generation of solar PV batteries. Some major methods for obtaining MPPT are discussed. The theoretical foundation for MPPT by using fuzzy control is put forward , the fuzzy control can overcome the PV cell misalignment and when the viscosity effectively ,the track is rapid ,moreover reflects keenly , the computation load is small ,the control precision is high ,small influences ,and the detail about designing a fuzzy control for the sys tem is proposed. The toolbox of Matlab is used to make a simulation to test the effect of the controller and perfect simulated results are obtained with fuzzy control. By comparison ,superiority in fuzzy control of MPPT are achieved. Keywords :p hotovoltaic cell ;MPP T ;f uzzy control ;maximum power point 0 　引 　言 随着全球能源紧张问题的日益严重 ,再生能源正得 到越来越广泛的应用 。近年来 ,光伏能源以其具有无污 染 ,可长期使用等优点 ,得到了很大的发展 。一般光伏 系统都希望光伏电池阵列在同样日照 、温度的条件下输 出尽可能多的电能 ,即在理论上和实践上提出了光伏电 池阵列 的 最 大 功 率 点 跟 踪 ( Maximum Power Point Tracking ,MPP T) 问题 。光伏并网发电系统中由于阵 列的功率等级一般较大 ,因此 M PP T 问题显得尤为重 要 。故利用智能控制方法上的智能性 、自适应性来对非 线性的太阳能光伏发电系统进行控制 ,无疑是一个很好 的选择[ 1 ] 。 1 　光伏电池的最大功率点 从图 1 中可以看出 ,在一定的光照强度与温度下 , 光伏电池输出曲线上都可以找到一个最大的功率输出 点 Pm ,如果可以使光伏电池时工作在最大功率点 ,就可 以极大地提升光伏电池的效率 ,故应寻找其最大功率 收稿日期 :2009 02 20 点 ,即寻优[ 2 ] 。 图 1 　不同光照下的光伏电池的 I U 特性曲线 (温度为 25 ℃) 2 　MPPT 控制的原理与设计 MPP T 控制的原理实质上是一个动态自寻优过 程 ,通过对光伏电池当前输出电压与电流的检测 ,得到 当前电池输出功率 ,将其与前一时刻功率相比较 ,然后 根据功率与占空比的关系 ,改变占空比 ,使其向最大功 率点不断靠近 ,如此反复 ,直至达到最大点附近的一个 极小区域内 。当外界光照强度与温度发生明显改变时 , 系统会进行再次寻优 。 561 

节能减排技术 张礼胜等 :基于模糊控制的光伏电池 M PP T 的设计 从图 2 可 知 , 改 变 脉 宽 调 制 信 号 ( Pulse Widt h Modulatio n ,PWM) 的占空比 D ,实质上是改变了光伏 电池的负载 。也即使光伏电池的输出功率点发生改变 , 从而达到寻找最大功率点的目的 。 模糊控制器的第 n 时刻输入量 ,为第 n 时刻的功率 变化量 Δ P( n) 和功率变化率 ; 第 n 时刻的输出量为 第 n +1 时刻的占空比改变量ΔD ( n + 1) ,大小在[0 ,1 ] 间变化 。其中功率变化量Δ P( n) = P( n) - P( n - 1) ,功 率变化率用Δ P( n) /ΔD ( n) 代替计算 。 3. 2 　确定输入 、输出量模糊子集及论域[ 4 ] Δ P( n) 的模糊集为 E ,Δ P( n) /ΔD ( n) 的模糊集为 EC ,ΔD ( n) 的模糊集为 U 。 图 2 　简单光伏系统的 MPP T 模糊控制结构图 将语言变量 E 和 U 定义为 7 个模糊子集 , EC 定义 光伏电池的负载 RL 与负载 R 和占空比 D 的关系 为 6 个模糊子集 , 即 : 式为 : RL = R/ D 　　M PP T 控制器通过调整 PWM 信号的占空比 D , 来改变光伏电池的负载 ,从而实现阻抗匹配的功能 。因 而 ,占空比 D 的大小决定了光伏电池输出功率 P 的大 小 ,一般光伏逆变器的 P D 关系如图 3 所示[ 2 ,3 ] 。 E = {NB ,NM ,N S ,ZO ,PS ,PM ,PB} EC = {NB ,N S ,NO ,PO ,PS ,PB} U = {NB ,NM ,N S ,ZO ,PS ,PM ,PB} 其中 :NB ,NM ,N S ,NO ,ZO , PO , PS , PM , PB 分别 表示负大 ,负中 ,负小 ,负零 ,零 ,正零正小 ,正中 ,正大等 模糊概念 。将 E , U 的论域规定为 15 个等级 ,将 EC 的 论域规定为 12 个等级 ,即 : E = { - 7 , - 6 , - 5 , - 4 , - 3 , - 2 , - 1 ,0 , + 1 , + 2 , + 3 , + 4 , + 5 , + 6 , + 7} EC = { - 5 , - 4 , - 3 , - 2 , - 1 , - 0 , + 0 , + 1 , + 2 , + 3 , + 4 , + 5} U = { - 7 , - 6 , - 5 , - 4 , - 3 , - 2 , - 1 ,0 , + 1 , + 2 , + 3 , + 4 , + 5 , + 6 , + 7} 3. 3 　确定隶属函数 图 3 　P D 关系曲线图 模糊子集的隶属函数形状较尖 ,反映模糊集合具有 国内外的一些光伏发电系统对光伏电池的最大功 率跟踪控制 ,一般提出过多种方法 ,如定电压跟踪法 、扰 动观察法 、功率回授法和增量电导法等 ,这些算法的不 足在于 :未说清从一个最大功率点怎样跟踪到下一个最 大功率点 ;计算量很大 ,实现较困难 ;控制精度差 ,受外 在影响大 。本文提出的设计方案进行最大功率点跟踪 , 可弥补以上不足之处 。 高分辨率特性较高的灵敏度 。 故本文选择三角形作为隶属函数的形状 , E 和 EC 的隶属函数见图 5 和图 6 ,U 的隶属函数如图 7 所示 。 3 　模糊控制器设计 图 5 　E 的隶属度函数 在光伏并网发电系统中 ,使用模糊逻辑对系统的输 入和输出进行设计 ,可以得出一系列控制规则 ,可以由 微机十分简明地实现 。 3. 1 　确定模糊控制器的结构 M PP T 控制设计 ,其关键是模糊控制器的设计 。 选用双输入单输出模糊控制器 ,如图 4 所示[ 3 ] 。 图 4 　二维模糊控制器 661 图 6 　EC 的隶属度函数 3. 4 　确定模糊控制规则 根据功率值的变化量 ,来决定这一时刻的占空比改 变量 。通过对光伏电池输出功率 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 (温度 、日照强 度) 对光伏电池输出功率的影响得到以下原则 : 

2 《现代电子技术》2009 年第 15 期总第 302 期 (1) 若输出功率增加 ,则继续原来改变量调整方 向 ,否则取相反方向 ; 图 7 　U 的隶属度函数 (2) 离最大功率点较远处 ,采用较大改变量以加快 跟踪速度 ;离最大功率点附近 ,采用较小改变量进行搜 索以减小搜索损失 ; (3) 当达到以最大功率点为中心的极小的 ZO 区 域时 ,系统稳定下来 ,直至外界环境再次发生明显变化 。 (4) 当温度 、日照强度等因素发生变化导致光伏电 池输出功率发生明显变化时 ,系统能够作出快速的反 应 ,进行再次寻优 。 遵循上述原则 ,并对实际仿真结果进行调整得到最 终控制规则表 ,如表 1 所示 。 表 1 　MPPT 模糊控制规则表 U E ZO NB NB NB NM NB NS NB PS NB PM NB PB NB NM NM NM NM NM NM NM NB PB PM PB NM PM PM PB NS PS PM PB ZO ZO PM PB - - PM PB - - PM PB - - PM PB EC NB NS NO PO PS PB 3. 5 　解模糊方法与仿真[ 4 ,5 ] 模糊逻辑控制器仿真选择 Mamdani 型控制器 ,解 模糊方法为重心法 ,其计算式为 : n a( k) = ∑ i = 1 n [ u( A i) A i ]/ ∑ i = 1 u( A i) 2 　　电子技术应用 　 式中 : u( A i ) 为第 i 个模糊输出量的隶属度 ; A i 为第 i 个 模糊输出量 。 经过试验仿真 ,结果如图 8 所示 。经过 M PP T 模 糊控制占空比时 ,它能够迅速地跟踪到最大功率点 。 图 8 　MPP T 下光伏电池输出功率 由此可得 ,模糊控制能够有效地克服光伏电池的非 线性和时滞性 ,能够快速地跟踪到最大功率点 ,并保持 在此状态 。 4 　结 　语 仿真发现 ,将模糊逻辑控制应用于光伏电池最大功 率点的跟踪不仅跟踪迅速 ,而且反应灵敏 ,且通过模糊 控制表可以实现离线设计 ,节省了微机的内部存储空 间 ,提高了工作速度 。 参 　考 　文 　献 [ 1 ] 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 ,2005. [ 2 ] 沈辉 ,曾祖勤. 太阳能光伏发电技术 [ M ]. 北京 :化学工业出 版社 ,2005. [ 3 ] 王耀南. 智能控制系统[ M ]. 长沙 :湖南大学出版社 ,2006. [ 4 ] 曾光奇 ,胡均安 ,王东 ,等. 模糊控制理论与工程应用 [ M ]. 武汉 :华中科技大学出版社 ,2006. [ 5 ] 石辛民 ,郝整清. 模糊控制及其 Matlab 仿真[ M ]. 北京 :清华 大学出版社 ,2008. [ 6 ] 黄瑶 ,黄洪全. 电导增量法实现光伏系统的最大功率点跟踪 控制[J ]. 现代电子技术 ,2008 ,31 (22) :18 19. 作者简介 　张礼胜 　男 ,1979 年出生 ,硕士 。研究方向为模式识别与智能系统 。 李 　全 　男 ,1958 年出生 ,副教授 。研究方向为电力拖动与智能控制理论 。 亲爱的读者 : 如果您错过了邮局征订《现代电子技术》杂志的机会 ,请直接汇款至《现代电子技术》发行部 ,我们会及时将 每期杂志直接邮寄到您的手中。2008 年 ,2009 年每期杂志订价 15 元 ,全年(24 期) 订价 360 元 。 征订热线 :029 85393376 　　　　　　　联系人 :薛进良 补订 、邮购启事 761