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        基于改進擾動法的光伏電池MPPT仿真研究

        2012-08-01 12:49:44蘇義鑫向爐陽張丹紅
        關(guān)鍵詞:模糊控制步長擾動

        蘇義鑫,向爐陽,張丹紅

        (武漢理工大學自動化學院,湖北 武漢 430070)

        太陽能光伏電池已廣泛運用于照明路燈、水泵、家用電器、發(fā)電廠和衛(wèi)星能源等諸多領(lǐng)域,成為新能源研究的熱點。

        目前用于光伏電池最大功率點跟蹤(MPPT)的方法主要有:恒定電壓法(constant voltage tracking,CVT)、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法、最優(yōu)梯度法、間歇掃描法、模糊邏輯控制法和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制法等[1]。恒定電壓法實現(xiàn)簡單,但在溫度突變下輸出功率將會偏離最大功率點,甚至產(chǎn)生振蕩。文獻[2]對CVT算法做了改進,通過經(jīng)驗查表法能夠提高MPPT的控制效果。擾動觀察法實現(xiàn)簡單,但步長難以確定且在最大功率點處會發(fā)生振蕩[3]。電導(dǎo)增量法利用光伏電池在MPPT處輸出功率對電壓的導(dǎo)納為零來跟蹤最大功率點,該方法控制效果好,控制穩(wěn)定度高,但是控制算法復(fù)雜,對采樣的精確度要求較高[4]。文獻[5-9]把模糊控制應(yīng)用到光伏電池的MPPT控制中,實驗結(jié)果表明,該算法在外部環(huán)境變化時能快速響應(yīng),但模糊控制是有差控制,在最大功率點附近仍有振蕩。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制具有良好的魯棒性和較快的響應(yīng)速度,但算法實現(xiàn)復(fù)雜[10]。針對上述MPPT控制算法的不足,結(jié)合現(xiàn)有MPPT算法的優(yōu)點,提出了一種基于模糊-PI控制的占空比擾動法,并建立了系統(tǒng)仿真模型,仿真結(jié)果表明,該算法具有一定的優(yōu)越性。

        1 光伏電池的等效模型及其輸出特性

        1.1 光伏電池的等效電路

        光伏電池是以半導(dǎo)體PN結(jié)接收太陽光照產(chǎn)生光伏效應(yīng)為基礎(chǔ),將光能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。其單體等效電路相當于一個電流源并聯(lián)一個二極管,如圖1所示。其中Ig為光生電流,其值正比于光伏電池的面積和入射光的輻照度;Id為暗電流,用二極管的電流表示;Ish為流過旁路電阻的電流;Io為光伏電池輸出電流;Uo為光伏電池輸出電壓;Rsh為旁路電阻;Rs為串聯(lián)電阻;Ro為電池的負載電阻。

        圖1 光伏電池的等效電路

        由上述定義,根據(jù)基爾霍夫電流定律和光電子學理論可以推導(dǎo)出光伏電池的等效數(shù)學模型:

        式中:Ios為太陽能板的逆向飽和電流;q為電子電荷量1.6×10-19C;K為波爾茲曼常數(shù),其值為1.38×10-23;A為PN結(jié)曲線常數(shù),這里取為1;T為溫度。

        由于串聯(lián)的Rs很小,并聯(lián)的Rsh很大,Ish→0,因此進行理想電路計算時都可以忽略不計[11]。

        由于單個光伏電池輸出的功率較小,實際應(yīng)用的太陽能電池基本上都是由若干單個光伏電池并聯(lián)或串聯(lián)所組成的光伏陣列。太陽能電池相互串聯(lián)可以提高光伏陣列的輸出直流電壓,并聯(lián)組合可以提高光伏陣列的輸出直流電流。因此,通過對太陽能電池串、并聯(lián)交替組合可以得到期望的輸出電壓、電流和功率,從而可得到太陽能電池模組的I-U特性方程為:

        其中,np為太陽能電池模組中并聯(lián)電池單元的個數(shù),ns為太陽能電池模組中串聯(lián)電池單元的個數(shù)。光伏陣列的單體電池串聯(lián)個數(shù)為36,并聯(lián)個數(shù)為0。

        1.2 光伏電池的仿真模型

        在溫度、光照條件變化時光生電流表達式為:

        式中:Isc為短路電流;G為光照強度;Gmon為標準條件光照強度;T為光伏電池表面溫度;T1為298 K;T2=273+75=348 K。

        電池組件Solarex MSX60 60 W的參數(shù)如表1所示。由式(3)可計算出溫度為T時光生電流為:

        在外部負載短路時,由表1可知Io=0,Uo=Uoc=21.1 V,將表1中參數(shù)代入式(2),可計算出Ios的值,再將Ios的值代入式(2)可得出負載電流表達式。電池內(nèi)阻計算可得Rs=0.504 6 Ω。

        表1 電池組件Solarex MSX60 60W的參數(shù)

        由式(4)可得到任意光照強度S和電池環(huán)境溫度T條件下的硅太陽能電池簡化數(shù)學模型,利用Matlab/Simulink建立的光伏電池仿真模型如圖2所示。

        圖2 光伏電池仿真模型

        1.3 光伏電池的特性曲線

        根據(jù)仿真模型,調(diào)節(jié)負載電阻的大小進行采樣,將采樣數(shù)據(jù)進行曲線擬合,當光照和溫度變化時光伏陣列的I-U特性曲線和P-U特性曲線如圖3所示。由圖3比較分析可知,在光照條件不變的情況下,光伏電池的開路電壓隨溫度的升高而降低,短路電流隨溫度的升高而略有增加,最大輸出功率隨溫度的升高而略有降低。在溫度不變的條件下,光伏電池的開路電壓隨光照的降低而降低,短路電流和光照幅度成正比,最大輸出功率隨光照幅度的升高而劇增。

        2 MPPT原理和占空比擾動法設(shè)計

        由光伏陣列在不同的光照、溫度條件下輸出的功率電壓特性可知,每條曲線都存在一個最大功率點,且其在當前環(huán)境條件下是唯一的。

        目前比較常用且簡單的一種MPPT實現(xiàn)方法是干擾觀測法,其原理是每隔一定的時間加一個電壓擾動,并觀測其后的功率變化方向,根據(jù)功率增加的方向來決定擾動的方向。該方法采用反饋控制,分為電壓擾動法和電流擾動法。用第n時刻P(n)與第n-1時刻的采樣值P(n-1)差值是否大于零來判定光伏電池是否工作在最大功率點處。如果是,則保持擾動方向;否則改變擾動方向。根據(jù)上述思想,建立了占空比擾動法的仿真模型,如圖4所示。Vin和Iin分別為采樣的電壓和電流,零階保持器的采樣間隔設(shè)置為0.001 s,Repeat Sequence的周期設(shè)置為0.005 s,幅值為[-2,2],可以產(chǎn)生波形穩(wěn)定占空比可調(diào)的矩形脈沖,仿真模型的仿真時間設(shè)置為0.1 s。占空比擾動法最大仿真步長難以確定,根據(jù)經(jīng)驗,分別設(shè)置為0.000 01和0.000 10,可以取得較好的控制效果。通過多次仿真實驗可知,在仿真中如果采用較大步長進行干擾,可以獲得較快的響應(yīng)速度,但達到穩(wěn)態(tài)后功率在最大功率點小范圍內(nèi)振蕩;采用較小的步長使得跟蹤速度過慢,在外界環(huán)境劇烈變化情況下可能發(fā)生誤判。

        圖3 光伏組件的I-U特性曲線和P-U特性曲線

        圖4 占空比擾動法仿真模型

        3 基于模糊-PI控制占空比擾動法的設(shè)計

        3.1 模糊-PI雙??刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)

        針對占空比擾動法的不足,對其做出改進,加入了模糊控制和PI控制器兼顧其動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。模糊-PI控制占空比擾動法的原理如下:在大偏差范圍內(nèi)采用模糊控制進行快速響應(yīng)調(diào)整,在小偏差范圍內(nèi)的精度調(diào)整采用常規(guī)PI控制,模糊-PI雙??刂频南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示,圖5中表達式為設(shè)定的模糊控制器和 PI控制器的轉(zhuǎn)換開關(guān),當滿足時采用 PI控制,此外采用模糊控制。

        圖5 模糊-PI雙??刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        3.2 模糊控制器的設(shè)計

        (1)模糊控制器的輸入變量和輸出變量的選取。模糊控制器第k時刻的輸入量為系統(tǒng)第k時刻功率值的變化量ΔP和第k-1時刻占空比的步長變化量ΔD(k-1),第k時刻的輸出量為第k時刻的占空比步長變化量ΔD(k)。

        (2)輸入量、輸出量的模糊子集和論域的確定。將功率變化量ΔP(k)和占空比步長ΔD(k)分別用量化因子量化,然后映射到模糊集合論域Ep和Ed,再分別定義為以下的模糊子集,Ep={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},Ed={NB,NM,NS,PS,PM,PB},其中,NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB分別表示的模糊概念為:負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。ΔP的論域取為{-6,+6},ΔD(k-1),ΔD(k)的論域均為{ -10,+10}。

        (3)隸屬度函數(shù)。根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性,同時為了使模糊化算法簡單,提高控制實時性,取三角形和梯形為模糊集合的隸屬度函數(shù),便于提高分辨率和靈敏度。ΔD和ΔP的隸屬度函數(shù)分別如圖6和圖7所示。

        (4)模糊控制規(guī)則和解模糊方法。根據(jù)仿真試驗對模糊規(guī)則進行調(diào)整得到的最終控制規(guī)則如表2所示。對于給定ΔP(n-1)和ΔD(n-1),模糊控制器通過 Mamdani極大極小值推理法進行推理得到ΔD(n),解模糊采用面積中心法。

        圖6 ΔD的隸屬度函數(shù)

        圖7 ΔP的隸屬度函數(shù)

        表2 模糊控制規(guī)則表

        3.3 模糊-PI控制原理

        模糊控制算法具有良好的精度與自調(diào)整能力,但是最大功率點附近振蕩的問題依然沒有得到較好的解決,造成一定的能量損失,影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率。為了解決該問題,在模糊控制的基礎(chǔ)上,引入穩(wěn)定性和快速性良好的PI控制,由開關(guān)函數(shù)來進行兩種控制方式之間的切換。PI控制器具有良好的消除穩(wěn)態(tài)誤差的作用,因此將其與模糊控制器結(jié)合構(gòu)成復(fù)合控制器能夠極大改善系統(tǒng)的性能。根據(jù)經(jīng)驗,中,A取0.06,PI控制器的參數(shù)整定采用試湊法。

        3.4 模糊-PI控制仿真圖

        通過Matlab的Fuzzy Logic工具箱可以建立模糊子系統(tǒng)。采用模糊控制算法通過占空比來調(diào)整最大輸出電壓的同時,需要考慮占空比調(diào)整的步長。步長過大,輸出功率波動加大,精度達不到要求,穩(wěn)態(tài)誤差變大;步長過小,跟蹤時間長,易在最大功率點附近反復(fù)振蕩,系統(tǒng)動態(tài)性能變差。因此,可利用模糊控制器來調(diào)整占空比,使其最終實現(xiàn)自動尋優(yōu)的效果[12]。設(shè)計了模糊-PI控制算法的占空比D自動調(diào)節(jié)的子系統(tǒng),其仿真圖如圖8所示。根據(jù)論域和變量實際取值范圍,ΔP和ΔD比例因子分別取為0.10和0.01,仿真時間設(shè)置為0.01 s,最大仿真步長為0.000 01 s,延時時間為0.000 02 s。通過多次仿真實驗得出,當比例系數(shù)kp=0.01,積分系數(shù)ki=1時,PI控制器能夠達到較好的控制效果。

        圖8 模糊-PI控制仿真圖

        4 仿真結(jié)果分析

        設(shè)定初始環(huán)境條件G=1 000 W/m2,T=298 K,在t=0.05 s時光照強度突變G=600 W/m2,在t=0.005 s時光照強度突變G=600 W/m2。占空比擾動法系統(tǒng)的功率輸出曲線如圖9所示,模糊控制法曲線如圖10所示,加入了模糊-PI控制系統(tǒng)的輸出功率跟蹤曲線如圖11所示,圖10和圖11右上部為縱軸局部放大的結(jié)果。將占空比擾動法和加入模糊-PI擾動法分別應(yīng)用于光伏組件最大功率點跟蹤。通過仿真對比發(fā)現(xiàn),兩種方法均能跟蹤系統(tǒng)最大功率點,占空比擾動法響應(yīng)速度慢,只適合光照強度變化緩慢的場合,穩(wěn)態(tài)情況下,會導(dǎo)致光伏電池的實際工作點在最大功率點的附近振蕩,造成功率的損失。模糊-PI控制方法,能夠有效地提高動態(tài)特性和精度,快速地跟蹤最大功率點,消除系統(tǒng)在最大功率點處的振蕩,穩(wěn)定性較好。實驗結(jié)果表明模糊-PI控制具有良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能,優(yōu)于傳統(tǒng)的擾動觀察法和普通的模糊控制方法。

        圖9 功率輸出(采用占空比擾動法) 圖10 功率輸出(采用模糊控制) 圖11 功率輸出(采用模糊-PI控制)

        5 結(jié)論

        為研究光伏電池的最大功率點跟蹤算法,建立了光伏電池的仿真模型并分析了其特性曲線。針對占空比擾動法的不足,結(jié)合常用的MPPT算法,將模糊-PI控制應(yīng)用到光伏電池MPPT中。該方法在外界環(huán)境變化劇烈的情況下,可快速跟蹤光伏電池的最大功率點,同時可基本消除最大功率點的功率振蕩現(xiàn)象,具有較高的控制精度和穩(wěn)定性,控制效果明顯優(yōu)于占空比擾動法。

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