双模糊PI控制器在太阳能MPPT中的应用研究

第１２卷　第１０期　２０１２笠　中　国水运　ＶｏＩ．１２　Ｎｏ　１Ｏ　２Ｏ１２　１０月　Ｏｈ　ｉ　ｎａ　Ｗａｔｅｒ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　０ｃ　ｒｏｂｅｒ　双模糊ＰＩ控制器在太阳能ＭＰＰＴ中的应用研究　费新华　，陈正伟　（１长兴县科技信息中心，浙江湖州３１３１００；２浙江科技学院工程实践中心，浙江杭州３１００２３）　摘要：为了提高太阳能电池板的发电效率，分析太阳能电池的物理特性，建立太阳能电池的Ｍａｔｌａｂ仿真模型。　讨论现有常用太阳能系统最大功率点跟踪算法的优缺点，充分利用模糊控制器和ＰＩ控制器的优势，设计了　Ｆｕｚｚｙ—Ｆｕｚｚｙ　ＰＩ复合控制器，通过调节ｂｕｃｋ—ｂｏｏｓｔ电路的占空比，实现太阳能系统的最大功率点跟踪。仿真实验　表明，运用了Ｆｕｚｚｙ—Ｆｕｚｚｙ—ＰＩ复合控制器的太阳能系统既具备一定的动态响应速度，又能保持较好的稳定精度。　关键词：太阳能；ｍｐｐｔ；模糊控制　中图分类号：ＴＭ６１５　引言　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—７９７３（２０１２）１０—００７９—０３　一、…　－－。随着化石能源的消耗，全球都在面临能源危机，温室效　应导致全球气候变暖，人们在不遗余力的寻找可再生的清洁　式中：　｛ｃｘｐ［　豫　）］＿１）一　（４）　能源＿１　】。太阳能是一种清洁高效、储量巨大的可再生能源。　太阳能发电可以将巨大的太阳能转换为电能，越来越成为一　Ｖ：输出电压；　Ｉ：输出电流；　ＩＬ：光电流；　Ｉ。：反向饱和电流；　种重要的发电方式。据专家预测，到２０４０年，全球的太阳　能发电量将占世界总发电量的２６％，２０５０年后将成为世界　能源的支柱　Ｊ。太阳能系统在工作时的电压随日照强度、环　Ｔ：太阳能电池组件的温度；　Ｒ。：太阳能电池组件串联电阻；　Ｒ。ｈ：太阳能电池组件并联电阻；　境温度等因素改变而变化，从而使它的输出功率也产生波动。　太阳能最大功率点跟踪（Ｍａｘｉｍｕｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｏｉｎｔ　Ｔｒａｃｋｉｎｇ，ＭＰＰＴ）控制器就是用来调节太阳能电池的输出　功率，使之保持输出功率最大，从而得到最大的使用效率。　二、光伏阵列特性与ｍｐｐｔ　１．光伏阵列特性及其仿真模型　ｑ：电子电荷常量；　ｋ：玻耳兹曼常数（１．３８×ｌ１）一２３Ｊ／Ｋ）；　ｎ：二极管因子（１＜ｎ＜２）。　其中光电流Ｉ　与入射光的光强Ｇ（Ｗ／ｍ。）和温度有关：　，　＝，￡（　）（１＋Ｋ０（ｒ～Ｙｉ））　，Ｌ（　）＝　∞（　０　光伏阵列由光伏电池串并联而成，而光伏电池是利用半导　体材料的光伏效应制成的。所谓光伏效应是指半导体材料吸收　光能，由光子激发出的电子一空穴对经过分离而产生电动势的　现象。光伏电池组件的Ｉ—Ｖ特性随日照强度Ｓ（Ｗ／ｍ。）和电　池温度ｔ（℃）而变化，即，＝ｆ（ｖ，　，ｔ）。根据电子学理论，当　（５）　（６）　）／Ｇ（…）　（』　（　）一Ｉｓｃ（　））／（ｒ２一　）　（７）　式中：　Ｇ（ｎｏｒａ）：额定光照强度；　负载为纯电阻时，太阳电池的实际等效电路如图１所示＿６刮。　Ｔｌ：温度１（２５￣Ｃ）　Ｔ２：温度２（７５￣Ｃ）　”　Ｉｄ　ｒ　Ｔ：周围环境温度　Ｉ　。（Ｔ　在温度为Ｔ　光照强度为额定强度时的短路电　流　亍　一　图１　光伏电池组件电路模型　Ｉｓｃ（Ｔ。）：在温度为Ｔ。光照强度为额定强度时的短路电　流　对应的Ｉ—Ｖ函数如下：　光伏电池的输出特性方程为：　Ｉ＝Ｉ　Ｌ—ｉ　ｄ—Ｉ　Ｇ：太阳辐射强度　唧（１）　［　（８）　，　｛ｅ　［　ｃ　＋皿　）］一　）　，０（　）＝　ｃ（　）／（￣ｘｐ［ｑｖｏｃ（　）／ｎｋｒ１］一１）　（２）　（９）　其中：　Ｅｇ：禁带宽度　（３）　ＶＯＣ（Ｔ　）：光电池在温度为Ｔ。的开路电压　收稿日期：２０１２—０６—０５　作者简介：费新华（１９６６一），男，长兴县科技信息中心，高级教师，研究方向为电子应用技术。　８０　中国水运　第１２卷　串联等效电阻为：　Ｒｓ＝一ｄ　／ｄ，一１／０　（１０）　。。Ｉ　ｏ（ＴＩ）　。ｘｐ［ｑ　ＯＣ（ＴＩ）　七ｒ　１】（１１）　给出了光伏电池单体的数学模型，对于Ｍ×Ｎ（Ｎ个电　池串联然后Ｍ列并联）的光伏阵列来说，输出电流按照下面　公式得出：　加　一　Ｘｐ（　）＿１卜　２　通常情况　为千欧数量级的，所以公式１２中的　为很小的值，可以省略。另本文以１×３６的光伏阵列Ｓｏｌａｒｅｘ　ＭＳＸ６０　６０Ｗ作为仿真对象，所以公式１２可以化解为：　，；，Ｌ一，。［ｅｘｐ（—Ｖ／　Ｎ＋Ｒｓ１）ＩＩ　（１３）　可以看出公式１３是关于Ｉ的超越方程，可以用牛顿迭代　法对其进行求解。　Ｓｏｌａｒｅｘ　ＭＳＸ６０的电气参数为Ｗ。＝６０Ｗ、Ｖｏｃ＝２　１．０Ｖ、　Ｉｓｃ＝３．７４Ａ、Ｖ　＝１７．ＩＶ、Ｉｍ＝３．５Ａ。将其带入公式（２）～（１１）　算出公式（１３）中的系数，再用牛顿迭代法求公式（１３）的　解，得到光伏方阵仿真模型ＭＳＸ６０（Ｖ　，Ｓｕｎｓ，Ｔ　），通　过函数调用，由电压Ｖ　、光强Ｓｕｎｓ、温度Ｔ　就可计算出电　流ｌ６】。　２．太阳能最大功率点跟踪（ＭＰＰＴ）　太阳能最大功率点是指在一定的温度和光照条件下，改　变输出电压和电流值使太阳能电源输出最大功率的条件点。　从图２可以看到在不同的光照强度下太阳能电池板的最大功　率点不同。要使太阳电池板尽可能地工作在最大功率点上，　就需要运用最大功率点跟踪技术，调节输出的电压和电流。　∞　∞　襄∞　＊４ｏ　３ｏ　图２不同光强下的太阳能电池的Ｐ－Ｖ曲线　爬山法是一种常见的太阳能最大功率点跟踪算法，它通　过将本次太阳能电池板的输出功率和上次的相比较来确定增　加或减少太阳能电池板工作电压来实现最大功率点跟踪。如　图３，如果△Ｐ＞０，说明太阳能电池板工作于上坡段，即最　大功率点Ｐ的左侧，需继续增大工作电压，从左边向最大功率　点靠近；若△Ｐ＜０，减小工作电压，从右边向最大功率点靠　近；若△Ｐ＜０　０，电池板工作于最大功率点附近，于是工　作电压在光强变化之前时保持不变。　爬山法只要选定初始工作电压ｕ。，就可以逐步逼近最大　功率的工作电压ｕ　Ａｘ，从而使太阳能电池板工作在最大工作　点附近。该方法的一个重要参数是扰动步长Ａ　Ｖ，Ａ　Ｖ太大会　导致太阳能电池板在最大功率点附近波动过大而损失效率，　ＡＶ太小会增加太阳能电池板逼近最大功率点的时间，从而　损失效率。所以，需要找到一种可以合理调节ＡＶ步长的方　法。模糊控制是其中的一种。　５０４５　竺　薹３：０　翟　：　崛地Ｐｉｖ　图３爬山法示意图　三、模糊控制　模糊控制是以模糊理论为基础的一种新兴的控制方法，　它是模糊集合理论和自动控制技术相结合的产物。模糊控制　器能对那些时变的、非线性，无法获得精确的数学模型的复　杂系统给出有效的控制，因而得到迅速的发展。光伏发电系　统正是这样一个强非线性系统，因此采用模糊控制的方法来　进行太阳电池的最大功率点跟踪是较为合适的－７ｌ。根据图３　的爬山法原理，论文［６１给出了，图４的控制结构。　图４非对称模糊ＰＩＤ控制原理图　该结构尝试在外界环境相对稳定的情况下，运用ＰＩＤ控　制能使系统稳定工作在最大功率点附近；当外部环境突变时，　运用模糊控制器来快速、准确的跟踪最大功率点的变化，具　有较好的效果。但是该结构也存在一些不足，包括：①　＜（ＡＰ／ＡＶ）＜　中的Ｋ１和Ｋ２选择对系统性能至关重要，需　要反复的调试，可以再增加一个模糊控制器进行优化选择。　②ＰＩＤ控制器的中得微分环节的作用已经在“非对称模糊控　制器”中得到体现了，因此可以去掉ＰＩＤ控制器中的微分环　节，将ＰＩＤ控制器简化为ＰＩ控制器。　基于以上两点本文提出如下图５的控制结构。　图５双模糊ＰＩ控制原理图　二维非对称模糊控制器的输入包括两个分量：偏差和偏　差变化率。这等价于ＰＩＤ控制器中的比例和微分两个环节，　缺少积分环节。积分控制可以消除稳态误差，比例控制动态　响应较快，可以把比例、积分控制联合起来，组成ＰＩ控制器，　既能获得较高的稳定精度，又能具有较快的动态响应。为了　弥补Ｆ控制器在平衡点附近出现的盲区缺陷，可以引入ＰＩ　控制环节，与模糊控制器联合构成Ｆ—Ｆ—ＰＩ复合控制器。其中，　模糊判断控制器可以根据输入的差值信号，决定控制系统的　第１０期　费新华等：双模糊ＰＩ控制器在太阳能ＭＰＰＴ中的应用研究　８１　输出是选择ＰＩ控制器的输出还是选择非对称模糊控制器的输　出，这样可以保证，系统具备良好的稳定精度的同时保持一　定的动态响应速度。　四、仿真结果　ｏｄｅ２３可以得到如下的仿真结果见图７。　从仿真结果可以看出，当仿真时间在０．３ｓ以后，太阳能　阵列仿真模型输出的功率可以稳定在最大功率点６０ｗ的位　置小幅波动。　五、结论　根据Ｆ—Ｆ—Ｐ１复合控制器的框图，在ｍａｔｌａｂ搭建如下仿　真系统见图６。　粤　根据光伏阵列的物理特性，给出光伏阵列的仿真模型，　并设计基于Ｆ—Ｆ—ＰＩ复合控制器的太阳能最大功率点跟踪系　统，仿真结果表明该系统既具备一定的动态响应速度，又能　保持较好的稳定精度。　参考文献　【１】王长江．基于ＭＡＴＬＡＢ的光伏电池通用数学模型　．电　力科学与工程，２００９，２５（４）；Ｉ卜１３．　（２Ｊ　ＶＩＯＲＥＬ　Ｂ．Ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ａ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ＰＶ　ｃｅｌｌｓ，ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｂａｔｔｅｒｙ，ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｍｏｔｏｒ　ａｎｄ　ｗａｔｅｒ　ｐｕｍｐ　；＊●　Ｕ】．Ｅｎｅｒｇｙ，２００３，２８（１２）：１１６５—１１８１．　图６实验原理图　【３】ＯＭＡＮＨ．Ｓｐａｃｅ　ｓｏｌａｒ　ｐｏｗｅｒ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｕ】．ＩＥＥＥＡＥＳ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｍａｇａｚｉｎｅ，２０００，１５（２）：３—８．　［４１陈正伟等．光伏阵列解析模型的研究【Ｉ］．浙江科技学院学　报，２０１１，２３（０６）．　［５］冯地生．太阳能发电原理与应用［Ｍ１．北京：人民邮电出　版社．２００７：１－３２．　『６１张超，何湘宁．太阳能光伏系统ＭＰＰＴ控制算法的对比　研究　图７仿真结果图　太阳能学报，２００６，２７（６）：５３３—５４０．　【７ｌ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．　设置仿真时间１Ｓ，仿真步长选择０．００１，仿真算法为　（上接第７８页）　（桨后装有流线型舵）或ａ＝Ｏ．７－０．９（桨　后装有平板舵），双桨ｔ＝０．２５ｗ＋０．１４（双螺旋桨具有轴包架）　或ｔ＝Ｏ．７ｗ＋０．０６（双螺旋桨具有轴支架）。　综上所述，推进装置功率计算公式为：　傅汝德数Ｆｎ＝ｏ（ｇＬ）－０．５　ｇ为重力加速度，由此可以　查表１，确定总阻力系数，从而计算推进装置功率。　三、实例估算　机的寿命起到了促进作用，而且油耗也相对低。但是，查该　机型的推进曲线图＿３　可知，当转速ｎ＝１，７００ｒ／ｍｉｎ时，该机　型才能发挥出他的最佳能效，此时单位功率油耗最低，能发　挥出８５％的额定功率。由上述实船测量和估算可知，该船在　设计时存在不合理的地方，单台ＷＤ６１５．６８Ｃ０１Ｎ型柴油机　就能满足该船正常营运，然而实船却采用两台主机，不仅在　增加了初期成本投入，还增加了营运时维护修理的成本。　四、结语　现以辖区内最具有代表性１０．８０Ｍ多用途船作为验证箅　例，该船型基本参数如下，Ｌ＝４６．５０ｍ，Ｂ＝１０．８０ｒｎ，　Ｄ＝３．５０ｍ，ｄ＝２．９０ｍ，ＬＥ／ｄ＝１．３７９，Ｃ：Ｂ＝Ｏ．８８０，＝１，２８９ｔ，　该船采用ＷＤ６１５．６８Ｃ０ＩＮ型柴油机双推进系统，双螺旋桨　本文采用近似阻力法计算主推进装置的功率，由于船舶　阻力计算的适用范围不完全与本航区货船船型相符合以及螺　旋桨的效率采用Ｂ型桨的最高效率，其计算结果存在一定误　差，但是本航区内货船船型肥大，推进功率大小对航速影响　不敏感，所以本方法用来在船舶初步设计时确定主推进装置　具有轴支架，桨后装有平板舵，主机单机额定功率２００ｋｗ，　转速１，８００ｒ／ｍｉｎ。对该船实船经济航速（正常航速，即设　计航速）进行测量，然后记录主机相应的转速，查该推进曲　线图Ｉ３　可知该转速时的主机功率。结果如下表２。　表２相关验证参数　Ｎ（测量）　（测量）Ｆｎ　∞ｔ　Ｃ　Ｐ（估算）Ｐ（查图）　１２４ｋｗ　５５＊２　ｋｗ　的功率是可行的。此外，还考虑储备功率以及本航区船东的　使用习惯，如轴带电机、轴带液压舵机油泵等。　参考文献　…小岩健【日】．“驳船”类的船体阻力近似计算＊ｌＪ１．船舶设　计通讯，１９８０，（１）．　【２】朱珉虎．内河船舶设计手册．北京：中国标准出版社，１９９６．　１１２０ｒ／ｒａｉｎ　２　７０ｍ／ｓ　０１２６　０　２２５　０　２１８　０　９９１　０　６７３　０　２７１　对比以上结果，估算与查推进曲线的结果存在１２％的相　对误差，这对船舶初步设计估算来说是可以接受的。该船在　设计航速时，主机基本处于低负荷运转，虽然这对于延长主　【３】重汽杭发官方网站，ｈｔｔｐ：／／　ｘｘ、ａｓｐ？ｉｎｆｏｋｉｎｄ＝００３００５＆ＩＤ－－４１．　—．ｈａｅｐ．ｃｏｒｎ．ｃｎ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ—