基于模糊控制的MPPT方法的研究

15开 发 应 用１ 引言２ 光伏电池的数学模型２．１ 光伏电池的等效电路（见图１）２．２ 光伏电池的原理２．３ 光伏电池的特性３ 光伏系统的最大功率点跟踪３．１ 光伏系统的ＭＰＰＴ原理３．２ ＭＰＰＴ控制算法４ 基于模糊理论的ＭＰＰＴ控制的基本原理能源危机、环境污染已成为制约国际社会发展的瓶颈，发展清洁可再生能源成为经济社会发展日趋紧迫的任务。太阳能作为一种清洁可再生能源，越来越受到世界各国的重视。由于传统的ＭＰＰＴ算法都存在其不足之处，为提高光伏发电所产生的能量利用效率，本文对基于模糊控制的ＭＰＰＴ方法进行了研究分析，并应用ＳＩＭＵＬＩＮＫ进行仿真。光伏电池是利用光生伏特效应把光能转换为电能的器件，环境温度以及光照强度对其产生的电压和电流有一定的影响。在光照情况下，太阳能电池外接负载，产生电流，此时负载两端产生端电压。这时光伏电池的等效电路如图１所示。由图１可得流过负载的电流为，其中，Ｉ 代表光子在光伏电池中激发的电流，这个量取决于幅照度、电池的面积和本体的温度Ｔ；Ｉ 为流过二极管的电流；Ｉ 为光伏电池在无光照时的饱和电流；Ｒ 串联电阻，它主要是电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻、电极与硅表面间接触电阻所组成；Ｒ 旁漏电阻，它是由硅片的边缘不清洁或体内的不清洁引起的。，其中，ｑ为电子的电荷； ；Ｋ是玻尔兹曼常数， ；Ａ为个常数因子，正偏电压大时Ａ为１，正偏电压小时为２。当负载ＲＬ从０→∞时， 即可得到如图２所示的太阳能电池的输出特性曲线。对于光伏发电系统来说， 通常要求光伏电池工作在最大功率点。光伏电池的ＭＰＰＴ过程实际上就是光伏电池的输出阻抗与负载阻抗等值匹配的过程，通过一定的控制方法实现对负载阻抗的实时调节，使其跟踪光伏电池的负载阻抗，使得电路的实际工作点逐渐向最大功率点靠近，从而实现光伏电池的最大功率发电。在太阳能光伏发电系统中，最常用的ＭＰＰＴ控制算法有定电压跟踪法、扰动观察法、电导增量法等。定电压跟踪法具有控制简单且易于实现的优点，但由于忽略了温度对光伏电池输出电压的影响，使其难以准确的实现ＭＰＰＴ控制。扰动观察法是实现ＭＰＰＴ常用的自寻优类方法之一，该方法具有算法简单、被测参数少等优点，但在特殊情况下还 会 出 现 振 荡 和 误 判 问 题 。 电 导 增 量 法 其 主 要 优 点 是ＭＰＰＴ的控制稳定度高，然而，电导增量法对控制系统的要求相对较高，若电压初始化参数设置不当，则可能产生较大的功率损失。在环境条件复杂的情况下，常规的方法均不能使Ｐ－Ｖ曲线收敛到真正的最高运行点。模糊控制是一种智能控制方法，特别是适用于时变的、数学模型未知的、非线性的复杂系统。在这些复杂系统中，尤其存在定性的不精确和不确定信息的情况下，模糊控制的效果常优于常规控制。图１ 光伏电池的等效电路图２ 太阳能电池的输出特性ＳＣＶＤＤＯｓｓｈ基于模糊控制的ＭＰＰＴ方法的研究任苗苗（兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 ７３００７０）摘 要针对太阳能光伏系统是一个强非线性系统，太阳电池的工作情况很难用精确的数学模型来描述。根据光伏电池最大功率点跟踪原理，比较常用的ＭＰＰＴ方法的优缺点，将模糊控制理论引入到ＭＰＰＴ控制中，使系统能够快速响应外部环境变化，减轻最大功率点附近的功率震荡。论文建立了光伏系统的仿真模型，采取模糊控制策略，实现最大功率点的跟踪控制。关键词最大功率点跟踪（ＭＰＰＴ）；模糊控制ＤＯＩ１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－６３９６．２０１１．３５．００９Study on MPPT Based on Fuzzy Control StrategyREN Miao-miaoThe Institute of automation and electrical engineering,Lanzhou JiaoTong University,Lanzhou,Gansu 730070AbstractBecause the photovoltaic system is a strong nonlinear system, it is very hard to describe by the accurate mathematical model.According to the principle of Maximum Power Point TracingMPPT, the commonly used method were compared upon the advantages anddisadvantages. The fuzzy control was introduced to the photovoltaic system MPPT control, so the system could respond quickly to changesin the external environment. Also it could reduce the power oscillation near the maximum power point. Through the establishment of aphotovoltaic power system DC simulation model, we adopted fuzzy control strategy to realize the maximum power point tracking control.Key wordsMaximum power point trackingMPPT;Fuzzy control收稿日期 修回日期作者简介２０１１－１０－０９ ２０１１－１０－２９任苗苗（１９８３－），女，山西晋中籍，硕士研究生，研究方向为电气工程及其自动化。光伏电池的输出功率为４．１ 模糊控制器的输入量和输出量４．２ 确定输入量和输出量的模糊集和论域４．３ 隶属度函数４．４ 模糊决策表５ 统建模与仿真６ 结语根据扰动观察法的基本原理，将输出功率作为系统的目标函数，占空比Ｄ作为控制变量。光伏系统第ｎ时刻功率值的变化量和ｎ－１时刻占空比的步长为模糊控制器第ｎ时刻的输入量，第ｎ时刻的输出量为第ｎ时刻的占空比步长。用量化因子对功率变化量ｅｐ（ｎ）和占空比步长ｅｄ（ｎ）进行量化，然后将其映像到模糊集合论域Ｅｄ和Ｅｐ。将Ｅｄ和Ｅｐ各自定义为８个和６个模糊子集。Ｅｐ＝｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，ＮＯ，ＰＯ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ｝Ｅｄ＝｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ｝其中，在模糊逻辑控制中，描述输入特性这些语言变量特性的语言值，常用ＮＢ（负大），ＮＭ（负中），ＮＳ （负小），ＮＯ（负零），ＰＯ（正零），ＰＳ（正小），ＰＭ（正中），ＰＢ（正大）来表示。模糊集合论域离散的数字集合表示为Ｅｐ＝｛－６，－５，－４，－３，－２，－１，－０，＋０，１，２，３，４，５，６｝Ｅｄ＝｛－６，－５，－４，－３，－２，－１，０，１，２，３，４，５，６｝根据太阳能光伏系统的特点，功率差Ｅｐ和占空比步长Ｅｄ的隶属度函数分别如图３，如图４所示。依据光伏电池输出功率Ｐ和占空比Ｄ之间的关系，建立模糊规则，应用ＩＦ Ａ ＡＮＤ Ｂ ＴＨＥＮ Ｃ模糊规则得到模糊决策表表１。（１）根据光伏阵列数学模型建立太阳能电池仿真模型，如图５所示。通过Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ进行仿真，仿真结果择其例如图６所示，从中可以看出该模型能较好地模拟太阳能电池的特性。（２）模糊控制仿真模型，如图７所示。图７中，ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ为太阳能光伏电池的模型；用Ｓ函数来实现Ｄ（ｎ）＝Ｄ（ｎ－１）＋ａ（ｎ）的功能。其中，经过多次的试验验证，量化因子Ｋａ的取值为０．０１；Ｋｅ的取值为１０。模拟外界环境的光照强度从８００Ｗ／ｍ 突然增大到１０００Ｗ／ｍ，表面温度Ｔ＝２５℃，并设置仿真最大步长时间间隔为０．０２５ｓ，运行时间为１０ｓ。由此得出输出功率Ｐ的波形如下图８所示。本文针对太阳能光伏电池的非线性特性，以及环境温度和光照强度对其的影响，在仿真中利用模糊逻辑控制来调整步长，在光伏系统最大功率点的跟踪控制中应用模糊控制。最后运用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型并进行仿真，说明将模糊控制应用到最大功率跟踪控制中是可行的，并且能表现出良好的控制性能。图３ 功率误差隶属度函数图４ 占空比步长隶属度函数表１ 模糊控制规则表图６ Ｔ＝２５℃，ｓ＝８００Ｗ／ｍ ｓ＝１０００Ｗ／ 参数下的Ｐ－Ｖ曲线图７ ＭＰＰＴ模糊控制系统图图８ 模糊逻辑控制输出功率Ｐ的波形图参考文献２ ｍ ２２ ２［１］ 赵 宏，潘俊民．基于Ｂｏｏｓｔ电路的光伏电池最大功率点跟踪系统［Ｊ］．电力电子技术，２００４，３８（３）５７．［２］ 茆美芹，余世杰，苏建徽．带有ＭＰＰＴ功能的光伏阵列Ｍａｔｌａｂ通用仿真模型［Ｊ］．系统仿真学报，２００５，１７（５）１２４８～１２５１．［３］ 叶秋香．光伏电池最大功率跟踪器的模糊控制以其应用研究［Ｄ］．上海东华大学，２００６．［４］ 冯 垛 生 ． 太 阳 能 发 电 原 理 与 应 用 ［Ｍ］．北 京 人 民 邮 电 出 版图５ 光伏阵列仿真模型16中国西部科技 ２０１１年１２月（中旬）第１０卷第３５期 第２６８期总（下转第２２页）高电位通过管线侵入击坏设备，引起线间条火燃烧、爆炸等事故。铁塔把雷电流对地泄放时，在它周围会产静电感应过电压，并滞后泄放，流散电阻越大，放电时间越长，它符合ＲＣ放电规律即；Ｖ ＝Ｖｅ 。它在电源线和电话线上可感应出５０ＫＶ到１００ＫＶ以上的过电压。雷云在起电、移动和先导放电的过程中，对架空线会产生静电感应，使之产生异号静电位，一旦雷云对地放电，导线中的束缚电荷成为自由电荷，以冲击波的形式对称地向低压电源、电话线等线路两端移动，形成雷电感应过电压 。雷击点３０００ｍ以外的电话线还可感应出１ＫＶ以上的过电压。这种过电压足以摧毁家用电器，并可以发生线路跳火燃烧，引发火灾爆炸事故。对距离６５ｍ以外的地方感应过电压可用下列公式计算 Ｕｇ＝２５ （ Ｉ ｈｃ／Ｓ） ＝２５ （１５００００ １２／５００）＝９０ＫＶ， 式中Ｕｇ为感应过电压幅值（ｋＶ）；Ｉ为雷电流幅值（ｋＡ），取１５０ＫＶ；ｈｃ为导线距地高度（ｍ），取１２ｍ ；Ｓ为雷击点与导线垂直距离（ｍ），取５００ｍ。铁塔受雷击，在其周围将产生强大的磁场，这种电磁场在周围导体还会感应出较大电位。这里计算雷电击中铁塔时，根据实际计算机房计算机上（ＰＬＺ１）的磁场 Ｈ ＝ｋ ｉ Ｗ／（ｄ√ｄ ）＝０．０１１５１０５／（０．７√６）＝４３７４（Ａ／ｍ），式中ｄ 为被考虑点至ＬＰＺ１屏蔽顶的最短距离（ｍ），取６ｍ；ｄ 为 被 考 虑 点 至 ＬＰＺ１屏蔽壁的最短距离（ｍ），取０．７；ｉｏ／ｍａｘ为ＬＰＺ０Ａ区内的雷电流最大值（Ａ），取１５０ＫＡ；ｋ 为形 状 系 数 ， 取 ０．０１（１／√ ｍ）； ｗ 为 格 栅 形 屏 蔽 的 网 格 宽（ｍ），取５ｍ。机房内（ＰＬＺ１）开路环最大感应电压Ｕ 宜按下式确定 Ｕ ＝μ ｂｌｎ（１＋ｌ／ｄ ） ｋ （ ｗ ／√ｄ ） ｉ／Ｔ ， Ｕ ＝４ ３．１４ １０ ２ ｌｎ（ １＋１０／２） ０．０１（５／√７）１．５１０ ／（２．５１０ ）＝５．１ＫＶ，式中μ 为真空磁导系数，等于４∏１０ ［Ｖｓ／（Ａｍ）］；ｌ为环路的长（ｍ），取１０ｍ；ｂ为环路的宽（ｍ），取２ｍ；ｄ 为环路至屏蔽墙的距离（ｍ），假定取２ｍ；ｄ 为环路至屏蔽顶的平均距离（ｍ），假定 取 ７ｍ； ｉ 为 ＬＰＺ０Ａ区 内 的 雷 电 流 最 大 值 （ Ａ ） ， 取１５０ＫＡ；Ｔ 为雷电流波头时间（Ｓ），取２．５１０ Ｓ 。强大的雷电流击铁塔电波在入地的过程中，由于雷电流陡度ｄｉ／ｄｔ的作用，在其远处不闭合的导体内会产生感应脉冲电压，可用下式计算 Ｅｍ＝２ １０ Ｌｌｎ（Ｌ＋Ｘ）／Ｘｄｉ／ｄｔ，式中Ｅｍ为感应电压（ＫＶ）；Ｌ为金属开口环长度；Ｘ为金属开口环距雷击点距离。在 离 铁 塔 ５００ｍ处 ， 假 设 有 １０ｍ的 开 口 环 ， 波 头 时 间ｔ＝２．５μｓ的１５０ＫＡ雷击铁塔时的感应电压为Ｅｍ＝２１０１０ｌｎ［（１０＋５００）／５００］１．５１０ ／２．５１０ ＝２．３８ＫＶ。根据ＧＢ５０１７４－９３电子计算机机房设计规范电子计算机环境电磁场不应大于８００Ａ／ｍ，由此可见，４３７４Ａ／ｍ的雷电磁场已对计算机已构成极大的危害，足以击穿电子元件。感应电压在办公楼内５．１ＫＶ，在５００ｍ处２．３８ＫＶ，这样大的感应电压不仅给办公楼内的而且５００ｍ外的电子设备也会造成破坏，造成线路跳火，引起燃烧爆炸事故。（１）某公司办公楼属于重要公共建筑物，根据预计年雷击次数计算结果应按２类建筑物做好防雷直击雷措施，根据技术规范要求做好内部防雷电磁脉冲措施。（２）合理布线，电源线和信号线要保持安全距离，使所有管线埋地引入室内，做好屏蔽措施，并做好等电位连接措施。（３）中央空调设备要按技术规范要求和屋面防雷装置等电位相连。（４）根据分流原理和雷电磁脉冲的要求，把单位计算机房移到４层楼以下，并能位于楼房中央位置，计算机与外墙的安全距离要符合规范要求。如计算机继续放置在５层楼，就要把屏蔽网格做到０．９ｍ（７８７Ａ／ｍ）或把计算机移离墙壁４ｍ（７６５Ａ／ｍ）处，在实际中这样做不太现实。（５）应按以下进一步技术改造改造铁塔接地网和办公楼基础地网，使之符合规范要求 并尽可能降低地阻值，同时要按规范施工，保证地网深度和水平距离上的安全；机房供电与办公楼用电系统分离 ，减少雷击高电位传播给办公楼内的设备；有可能的话，尽量降低铁塔高度；给铁塔增加引下线，找出柱筋并能从屋面均匀分布引下，达到分流的目的。铁塔会增加雷击概率，加剧周围雷电磁脉冲的危害危害程度，扩大雷电灾害影响范围，对附近的电子产品造成损坏，威胁人身安全。要采取有效措施做好 自身安全，并应进行定期检测，保证防雷效果长期有效外，附近建筑物和设备更要采取综合防雷措施做好防雷安全工作。在通讯或装饰铁塔设置时，尽量离开人员密集区域。３．４ 静电感应过电压分析３．５ 雷电磁感应危害性分析４ 应采取的措施５ 结束语ｔ１ Ｈ ０ｗ ｒｒｗＨｏｃ／ｍａｘｏｃ／ｍａｘ ０ ｌ／ｗ Ｈ １／ｒ ｏ／ ｍａｘ１ ｏｃ／ｍａｘ０ｌ／ ｗｌ／ ｒｏ／ｍａｘ１－ｔ／ＲＣ［２］［３］［１］４［１］－７５ －６－７－６ ［２］［２］ －７－７５ －６［４］［４］铁塔参考文献［１］ 机械工业部．ＧＢ５００５７－９４（２０００年）建筑物防雷设计规范［Ｓ］．北京中国计划出版社，２０００．［２］ 李 家 启 ． 索 塔 大 桥 雷 电 防 护 必 要 性 探 讨 ［Ｊ］．中 国 雷 电 防护，２００５，１．［３］ 电力工业部． ＤＬ／Ｔ ６２０－１９９７交流电气装置的过电压保护和绝缘配合［Ｓ］．北京中国电力出版社，１９９７．［４］ 信息产业部综合规划司．ＹＤ５０６８－９８移动通信基站防雷与接地设计规范［Ｓ］．北京北京邮电大学出版社，２００３．22中国西部科技 ２０１１年１２月（中旬）第１０卷第３５期 第２６８期总社，２００７．［５］ Ｓｉｍｏｅｓ Ｍ Ｇ，，Ｆｒａｎｃｅｓｃｈｅｔｔｉ Ｎ Ｎ，Ｆｒｉｅｄｈｏｆｅｒ Ｍ．Ｆｕｚｚｙ ｌｏｇｉｃｂａｓｅｄ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｐｅａｋ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ［Ａ］．ＰｒｏｃＩＥＥＥ Ｃｏｎｆ．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ［Ｃ］．Ｐｒｅｔｏｒｉａ，１９９８３００～３０５．［６］ 李人厚．智能控制理论和方法［Ｍ］．西安西安电子科技大学出版社，１９９８１２６．［７］ Ｔｏｍｉｔａ Ｔ，Ｔｏｗａｒｄ ｇｉｇａ－ｗａｔｔ．Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｈｔｏｖｏｌｔａｉｃｃｅｌｌｓ，ｍｏｄｕｅｌｓ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍｓ［Ａ］．ＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＳｐｅｃｉａｌｉｓｔｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００５［Ｃ］．Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｒｅｃｏｒｄ ｏｆ ｈｅ ３１ｓｔＩＥＥＥ．ＮＪ．ＵＳＡＩＥＥＥ，２００５７～１１．［８］ 王传辉，罗耀华．太阳能电池最大功率点的模糊控制法［Ｊ］．应用科技，２００８，３５（３）４２～４５．［９］ 计长安，张秀彬，赵兴勇．基于模糊控制的风光互补能源系统［Ｊ］．电工技术学报，２００７，２２（１０）１７８～１８４．［１０］ 王 飞，余世杰，苏建徽．太阳能光伏并网发电系统的研究［Ｊ］．电工技术学报，２００５，２０（５）７２～７５．［１２］ 李 炜，朱新坚．光伏系统最大功率跟踪控制仿真模型［Ｊ］．计算机仿真，２００６，２３（６） ２３９～２４３．［１３］ 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．（上接第１６页）