基于模糊控制的光伏阵列MPPT仿真

基于模糊控制的光伏阵列MPPT仿真戴晨骏,王宏华(河海大学电气工程学院,南京210098)摘　要:研究了光伏阵列的非线性功率输出特性,建立了基于Matlab si m ulink/Power syste m的光伏阵列仿真模型,对基于模糊控制采用扰动观察法进行光伏发电最大功率点跟踪进行了仿真。

关键词:光伏阵列;最大功率跟踪;模糊控制;扰动观察法中图分类号:TK51;TP391.9 文献标志码:B 文章编号:167125276(2010)022*******M PPT of Photovolt a i c Array Ba sed on Fuzzy Con trolDA I Chen2jun,WANG Hong2hua(Co ll e ge o f E l e c tri ca l Eng i ne e ri ng,Ho ha iU n i ve rsity,N an ji ng210098,C h i na)Abstract:Acco rdi ng t o the no n2li ne a r co nd iti o n s,th is pap e r studi e s the PV a rra y pow e r ou t pu t cha ra c te ris ti c s,e s ta b lishe s the m o de l o f p ho t ovo lta i c a rra y w ith M a tl a b S i m uli nk/Pow e r Sys tem a nd p re se nts the si m u l a ti o n of m axi m um pow e r po i n t tra cki ng(M P PT)fo r PV a rra y w ith the pe rturba ti o n a nd ob se rva ti o n m e tho d ba se d on fuzzy con tr o l.Key words:p ho t o vo lta i c a rray;m a xi m um pow e r po i nt tracki ng;fuzzy co ntr o l;p e rtu rba ti o n a nd o bse rva ti o n m e tho d0　引言光伏发电正在由“补充能源”逐渐向“代替能源”转变,其已成为全球研究发展的前沿。

但如何提高光伏发电的效率和品质是有待深入研究的重要问题。

光伏电池的输出功率易受太阳光照强度和温度的影响,在光照强度和温度一定的条件下,光伏电池的输出电压和输出电流之间具有非线性的关系,且有唯一的最大功率点。

最大功率跟踪(M PPT)的目标是使光伏电池在光照强度和温度变化时保持最大功率输出。

目前用于光伏电池MPPT的方法主要有:恒电压法、扰动观察法、增量电导法、最优梯度法、间歇扫描法、模糊逻辑控制法和神经网络等。

研究了光伏阵列的非线性功率输出特性,基于Matlab si m ulink/Power syste m建立了光伏阵列仿真模型,并对基于模糊控制采用扰动观察法的光伏发电M PPT进行了仿真。

1　光伏阵列仿真传统的光伏电池等效电路表达式中因含有多个难以确定的参数,故不实用。

文献[1]给出了面向工程实际的光伏电池简化数学模型[1]:I=I sc{1-C1{exp[U/(C2U oc)]}-1}(1)C1=(U m/U oc-1)exp[-U m/(C2U oc)](2)C2=(U m/U oc-1)[ln(1-I m/I sc)]-1(3)当光照强度和温度发生变化时,由以下公式计算式(1)至式(3)中的参数[1]:T=T air+K×S(4)ΔT=T-Tref(5)ΔS=SS ref-1(6)I′sc=I sc×SS ref(1+aΔT)(7)U′oc=U oc(1-cΔT)(1+bΔS)(8)I′m=I m×SS ref(1+aΔT)(9)U′m=U m(1-cΔT)(1+bΔS)(10)式中:　Sref———参考日照强度,(1000W/m2);T=25℃———实际光照强度,(W/m2);T ref———参考电池温度,(25℃,298K);T a mb———环境温度,K;ΔS———实际光照强度与参考光照强度的差值,(W/m2);ΔT———实际电池温度与参考电池温度的差值,K;K———光照强度变化时,光伏电池阵列的温度系数,典型值为0.3℃ m2/W;I′sc———光照强度S下、电池温度T时,光伏电池短路电流,A;U′oc———光照强度S下、电池温度T时,光伏电池开路电压,V;I′m———光照强度S下、电池温度T时,光伏电池最大功率电流,A;U′m———光照强度S下、电池温度T时,光伏电池最大功率电压,V;a,b,c为常数,推荐的典型值为:a=0.0025,b=0.5, c=0.00288。

作者简介:戴晨骏(1984—　),男,江苏苏州人,硕士研究生,主要从事光伏发电等新能源领域研究。

依据式(1)至式(3),考虑光照强度、环境温度等变化对光伏电池的影响,基于M atlab Si m ulink /Power Syste m 所建立光伏电池仿真模型如图1所示。

现选仿真的光伏电池阵列为Suntech 的STP040S 212/C ,其U m 为17.2V ,I m 为2.33A ,U oc 为21.5V ,I sc 为2.5A ,将两块串联后U m 为34.4V ,I m 为2.33A ,U oc 为43V ,I sc 为2.5A。

图1　光伏电池仿真模型图 根据仿真模型对不同光照强度和温度下光伏电池特性进行了仿真。

图2为光照S =1000W /m 2不变,温度变化时的I 2V 和P 2V 仿真曲线;图3为温度T =25℃不变,光照变化时的I 2V 和P 2V 仿真曲线。

图2　光照不变时的温度变化特性曲线图由图2和图3可见,光伏电池阵列的特性与光照强度和温度紧密相关。

图3　温度不变时的光照变化特性曲线图2　基于模糊控制的干扰观察法干扰观察法的思路是实时采样光伏电池的输出电压和电流,计算本次采样的输出功率,然后与前次测得的功率进行比较,如果小于前次功率值,应控制输出电压按相反方向改变,否则,维持原来输出电压增大或减小的方向不变。

实际应用中,可通过改变P WM 信号的占空比调整输出电压,达到随输出功率变化而调整的目的,使光伏电池始终工作在最大功率点,如图4所示。

图4　占空比扰动观察法示意图通过占空比来调整最大输出电压的同时,需要考虑占空比调整的步长。

步长过大,输出功率波动加大,精度达不到要求,稳态误差变大;步长过小,跟踪时间长,易在最大功率点附近反复振荡,系统动态性能变差。

因此,可利用模糊控制器来调整占空比,使其最终实现自适应寻优的效果。

将光伏电池的输出功率作为模糊控制器的目标函数,控制P WM 信号的占空比,光伏电池第n 时刻的输出功率变化量以及n -1时刻的占空比步长值作为模糊控制器的输入量,结构如图5[2]。

图5　模糊控制器结构框图图中e (n )表示第n 时刻与第n -1时刻输出功率之差的实际值,E (n )表示e (n )对应于模糊集论域中的值,a (n )表示第n 时刻步长的实际值,A (n )表示a (n )对应于模糊集论域中的值,D (n )和D (n -1)分别表示第n 和第n -1时刻的占空比,K e 为量化因子,K a 为比例因子。

该结构在每个寻优周期开始,首先计算本时刻输出的功率值 P (n ),然后将P (n )和前一时刻P (n -1)的差值e (n )和前一时刻步长a (n -1)作用于模糊控制器的输入端制规,经过量化及模糊化处理后变换为模糊集论域中的变量E (n )和A (n -1),查模糊控制规则表,获得本时刻寻优的步长值A (n ),经论域反变换得占空比增量a (n ),其与前一时刻的占空比相加得下一时刻的占空比,以调节光伏电池的输出电压,直到下一寻优周期开始。

上述过程反复进行,直到输出电压调节到光伏电池的最大功率点电压为止。

3　基于模糊控制的扰动观察法仿真定义语言变量E (n ),A (n -1),A (n )分别为8个,6个,6个模糊子集,其论域均为{-6,+6}。

由定义的语言变量的模糊子集和模糊控制器所要达到的目的确定模糊控制规则如表1所示。

表1　模糊控制规则表AENB N M NS N O PO PS P M PB NB P B M PS PS NS NS NS NS NM P B P B P M PS NS NS NS NS NS P B P B P M PS NS NS P B NS PS NS NS NS NS PS P M P B P B P M NS NS NS NM P M P M P B P B P BNSNSNSNMP MPSP MP B 在Matlab 模糊工具箱中,选择M a mdani 型控制器,解模糊的方法采用重心法。

利用Matlab si m ulink /Power system 建立的基于模糊控制的光伏阵列MPPT 仿真系统如图6所示。

其中光伏阵列模块为图1所构建的光伏电池仿真模型经封装后的模块;模糊控制器模块的输入为第n 与第n -1时刻的功率差值以及第n -1时刻占空比D 的步长值,输出为第n 时刻占空比D 的步长值。

分别利用传输时延(transfer de 2lay )模块来实现第n 与第n -1时的输出功率与占空比D 。

K e ,K a 分别取为100,0.01。

图6　基于模糊控制的扰动观察法仿真系统(下转第148页)・电气技术与自动化・丁鉴彬,等・五轴注塑机械手控制系统设计图3　控制从板程序流程图reg_write()函数是通过外部寻址对C AN控制器进行初始化操作。

3　结语由于注塑机械手能够大幅度的提高生产率和降低生产成本,能够稳定和提高注塑产品的品质,避免因人为的操作失误而造成的损失。

因此,注塑机械手在注塑生产中的作用变得越来越重要。

本控制系统基于单片机设计,能够完成上位机对下位机的实时监管和操控,下位机能准确及时的执行上位机的指令,并反馈机械手的工作状态,规划主板能够存储多个工艺及取件信息,并具备上位机进一步开发实现在线编程功能。

参考文献:[1]朱善君,孙新亚.单片机接口技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2005.[2]陈小忠,黄宁.单片机接口技术实用子程序[M].北京:人民邮电出版社,2005.[3]杨金岩,郑应强.8051单片机数据传输接口扩展技术与应用实例[M].北京:人民邮电出版社,2005.[4]李华德.交流调速控制系统[M].北京:电子工业出版社,2003.收稿日期:20090817(上接第138页)在光伏电池表面温度为25℃,光照强度从500W/m2跃变到1000W/m2条件下,占空比D及功率P输出仿真波形如图7所示。