模糊PID控制在光伏發(fā)電MPPT中的應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)模糊PID控制在光伏發(fā)電MPPT中的應(yīng)用學(xué) 院： 信息工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 控制工程 學(xué)生 姓名： 學(xué) 號(hào)： 任課 教師： 匯報(bào)日期： 年 月 日 摘要光伏電池的輸出功率隨外部環(huán)境和負(fù)載的變化而變化，為有效利用太陽(yáng)能，需要對(duì)其進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤( MPPT) 。模糊控制屬于有差控制，在最大功率點(diǎn)附近仍有振蕩存在，為進(jìn)一步提高光伏發(fā)電MPPT 控制品質(zhì)，提出一種基于占空比擾動(dòng)的模糊PID 雙模控制策略。其基本方法是直接將占空比作為控制變量，在模糊控制基礎(chǔ)上加入了傳統(tǒng)的PID

2、 控制，在大偏差范圍內(nèi)采用模糊控制進(jìn)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)PID 控制，實(shí)現(xiàn)了MPPT 精確性和快速性的兼?zhèn)?。改進(jìn)方法能夠快速、準(zhǔn)確地跟蹤光伏電池的最大功率點(diǎn)，避免在最大功率點(diǎn)的振蕩，提高了能量轉(zhuǎn)換效率。關(guān)鍵詞最大功率點(diǎn)跟蹤模糊控制PID控制AbstractThe output power of PV module varies with module temperature In order to effectively use solar energy，it needs maximum power point tracking ( MPPT) Fuzzy cont

3、rol is static error control，it still has oscillations existingnear the maximum power point In order to further improve the photovoltaic MPPT control quality，a fuzzy PID control strategy based on the duty cycle perturbation was proposed The basic approaches are to directly take the dutycycle as contr

4、ol variables and to introduce the fuzzy control to the traditional PID control The fuzzy control is used to respond quickly to adjustments in the large deviations and the conventional PID control is used for accurate adjustmentwithin small deviations both with the accuracy of and the rapidity of MPP

5、T The simulation results show that this method can quickly and accurately track the maximum power point of photovoltaic cells，avoid the oscillation in themaximum power point，and improve the energy conversion efficiency Key words MPPT Fuzzy controlPID control 目 錄 TOC o 1-3 h z u 第1章 緒論1.1 題目背景隨著全球性能源

6、危機(jī)和環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重，有效、合理地利用現(xiàn)有資源、保護(hù)環(huán)境已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電具有無(wú)污染、無(wú)噪聲、取之不盡、用之不竭等優(yōu)點(diǎn)，成為新能源研究的熱點(diǎn)之一。然而太陽(yáng)能光伏組件是非穩(wěn)定電源，光照、溫度、負(fù)載的改變均會(huì)引起光伏電池輸出功率變化，為有效利用太陽(yáng)能需要對(duì)其進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。目前已知MPPT 算法主要有固定電壓法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法、模糊控制法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。固定電壓法簡(jiǎn)單且容易實(shí)現(xiàn)，但忽略了溫度對(duì)開(kāi)路電壓的影響，所以并不能完全跟蹤最大功率點(diǎn)。擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法同為MPPT經(jīng)典算法，但擾動(dòng)觀察法抗干擾能力較差，容易發(fā)生誤判現(xiàn)象。電導(dǎo)增量法控制復(fù)雜，對(duì)硬件要求高，需要

7、高精度的A/D 轉(zhuǎn)換器。兩種算法跟蹤步長(zhǎng)設(shè)置大小都會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，且較難找到平衡點(diǎn)。這些特性都限制了兩種算法的應(yīng)用。模糊控制不依賴(lài)于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，能夠根據(jù)功率變化幅度自動(dòng)調(diào)整占空比，能有效提高系統(tǒng)隨外部環(huán)境變化的快速響應(yīng)能力，并能一定程度上減少最大功率點(diǎn)附近的振蕩。但是，模糊控制沒(méi)有積分環(huán)節(jié)，屬于有差控制，在最大功率點(diǎn)附近的振蕩仍然存在。為此，本文將傳統(tǒng)的PID 控制引入到模糊控制當(dāng)中，提出模糊/PID 控制的雙模組合控制算法。在大偏差范圍內(nèi)采用模糊控制進(jìn)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)PID 控制，兩種算法通過(guò)閾值比較的方式進(jìn)行切換。兩種算法互為有益的補(bǔ)充，

8、實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)快速性和精確性的統(tǒng)一。本文重點(diǎn)討論了模糊控制器的設(shè)計(jì)。第2章 最大功率跟蹤簡(jiǎn)介2.1 MPP及MPPT介紹圖1 光伏發(fā)電太陽(yáng)能電池組件光伏陣列輸出特性具有非線性特征，其輸出受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)載情況影響。在一定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏電池可以工作在不同的輸出電壓，但是只有在某一輸出電壓值時(shí)，光伏電池的輸出功率才能達(dá)到最大值，這時(shí)光伏電池的工作點(diǎn)就達(dá)到了輸出功率電壓曲線的最高點(diǎn)，稱(chēng)之為最大功率點(diǎn)(maximum power point，MPP)。2.2 光照強(qiáng)度和溫度變化對(duì)MPP影響電壓U功率PW電壓U功率PW/m2800W/m2600W/m2400W/m2O圖2.1 光伏

9、電池輸出特性隨光照的變化曲線 圖2.2 光伏電池輸出特性隨溫度的變化曲線光照強(qiáng)度和溫度變化都會(huì)導(dǎo)致光伏電池的最大功率點(diǎn)移動(dòng)，因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，一個(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近，這一過(guò)程就稱(chēng)之為最大功率點(diǎn)跟(maximum power point tracking，MPPT)，如圖2.3 I-U特性曲線與負(fù)載特性的交點(diǎn)即為最大功率點(diǎn)。圖 2.3 光伏電池I/P-U曲線 第3章 常用的MPPT控制方法MPPT方法可根據(jù)控制算法進(jìn)行分類(lèi)，也可根據(jù)具體實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)的控制參數(shù)分類(lèi)。若根據(jù)MPPT算法的特征和具體實(shí)現(xiàn)機(jī)理的過(guò)程，可將MPPT方

10、法分為三大類(lèi)： 基于參數(shù)選擇方式的間接控制法； 基于采樣數(shù)據(jù)的直接控制法； 基于現(xiàn)代控制理論的人工智能控制法。在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中采納何種算法來(lái)實(shí)現(xiàn)MPPT，還要根據(jù)控制過(guò)程的具體成本核算以及控制要求精度來(lái)決定。3.1干擾觀測(cè)法圖 3.1 太陽(yáng)能能電池輸出功率與輸出電壓曲線首先在光伏電池工作的某一參考電壓下檢測(cè)出其輸出功率，然后在該電壓基礎(chǔ)之上加一個(gè)正向電壓擾動(dòng)量，再次檢測(cè)光伏電池輸出功率。根據(jù)功率變化方向，改變輸出電壓，直到輸出功率穩(wěn)定在設(shè)定的一個(gè)很小范圍內(nèi)，即可認(rèn)為達(dá)到了最大功率點(diǎn)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是控制算法比較簡(jiǎn)單，對(duì)電量傳感器精度要求不高。其缺點(diǎn)為需要始終判斷對(duì)電壓加以干擾的系統(tǒng)是否工作在最大

11、功率點(diǎn)處。因此即使是在穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)工作電壓也不能穩(wěn)定在一個(gè)特定值上，不可避免地會(huì)造成一定功率損失。若擾動(dòng)步長(zhǎng)較大，則系統(tǒng)能較快搜尋到最大功率點(diǎn)處，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，但會(huì)在最大功率點(diǎn)附近有較大波動(dòng)，功率損失也較大而若步長(zhǎng)較小，相應(yīng)的在最大功率點(diǎn)附近的波動(dòng)較小，但系統(tǒng)搜尋最大功率點(diǎn)幫需要較長(zhǎng)時(shí)間，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。跟蹤步長(zhǎng)的設(shè)定難以兼顧跟蹤精度和響應(yīng)速度，并且有時(shí)會(huì)出現(xiàn)判斷錯(cuò)誤現(xiàn)象。所以，干擾觀測(cè)法適用于外界環(huán)境較穩(wěn)定的中小功率系統(tǒng)，并在滿(mǎn)足一定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的基礎(chǔ)上，盡量減小擾動(dòng)步長(zhǎng)，增大控制周期，即以犧牲部分動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度來(lái)提升系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度和抗擾動(dòng)熊力。由于光伏系統(tǒng)為長(zhǎng)期運(yùn)行系統(tǒng)，因此系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性更為重要，

12、干擾觀測(cè)法在中小功率系統(tǒng)還是比較適用的。由于傳統(tǒng)干擾觀測(cè)法具有諸多缺陷，如穩(wěn)態(tài)精度不夠、光照劇烈變化出現(xiàn)誤判、步長(zhǎng)和控制周期選取有沖突等，因此就出現(xiàn)了對(duì)其改進(jìn)的一些控制方法。3.1恒電壓控制法在一定溫度情況下，最大功率點(diǎn)近似分布在同一直線上，若采用一垂直直線代替，即為保持恒定電壓不變，說(shuō)明光伏電池的最大功率輸出點(diǎn)大致對(duì)應(yīng)某一恒定電壓，可對(duì)其進(jìn)行等效代替。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，可以得到光伏電池在某一日照強(qiáng)度及溫度下的最大功率點(diǎn)的電壓值，該電壓即可看做最大功率點(diǎn)處的工作電壓Um。因此恒電壓控制法的控制思想就是將系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定控制在特定值Um處圖 3.2 某型光伏電池在不同光照強(qiáng)度下的功率-電壓曲線在光伏

13、初期應(yīng)用中，大多采取固定輸出電壓的方法。以衛(wèi)星上的光伏電池板為例，因?yàn)橥馓諟囟茸兓?，光照?qiáng)度恒定，所以恒定電壓法可以維持輸出功率在最大功率點(diǎn)處。但對(duì)于大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用的光伏系統(tǒng)，外界環(huán)境都在時(shí)刻變化，如果輸出電壓始終保持不變則會(huì)造成一定的功率損失。第4章 模糊PID控制模糊控制綜合了直覺(jué)經(jīng)驗(yàn)，具有不依賴(lài)被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型、魯棒性強(qiáng)、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，適用于難以建立數(shù)學(xué)模型的對(duì)象，或?qū)Ω蓴_十分嚴(yán)重的系統(tǒng)進(jìn)行控制。模糊控制在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，先把采集到的信息模糊化，然后進(jìn)行模糊決策，求得控制量的模糊集，再經(jīng)去模糊化得出輸出控制量，作用于被控對(duì)象，使被控過(guò)程達(dá)到預(yù)期的控制效果。模糊控制沒(méi)有積分環(huán)節(jié)，

14、屬于有差控制，在最大功率點(diǎn)附近的振蕩仍然存在。為此，將傳統(tǒng)PID 控制引入到模糊控制當(dāng)中，提出模糊/PID 控制的雙模組合控制算法。在大偏差范圍內(nèi)采用模糊控制進(jìn)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) PID 控制， 兩種算法通過(guò)閾值比較的方式進(jìn)行切換 。 兩種算法互為有益的補(bǔ)充， 實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)快速性和精確性的統(tǒng)一。圖4.1 模糊MPPT控制的改進(jìn)方法原理框圖4.1 模糊控制器設(shè)計(jì)4.1.1 確定輸入輸出量及模糊子集光伏系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng)，很難用精確的數(shù)學(xué)模型描述因此將模糊控制用于光伏系統(tǒng)的MPPT 控制是合適的。將光伏電池電壓u和電流i的采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算得到功率值P，通過(guò)比較當(dāng)

15、前時(shí)刻與上一時(shí)刻功率變化，得到誤差P，有E=P(n)-P(n-1)在第n時(shí)刻，模糊控制器的輸入量為第n時(shí)刻的功率變化量E（n），反饋中第n-1時(shí)刻的占空比步長(zhǎng)值S(n-1)同樣作為模糊控制器的輸入量模糊控制器輸出的是第n時(shí)刻的占空比步長(zhǎng)值S(n)。圖4.2 模糊控制原理框圖基于干擾觀測(cè)法的原理，根據(jù)功率值的變化量和前一時(shí)刻的占空比調(diào)整步長(zhǎng)，來(lái)決定本時(shí)刻的占空比調(diào)整步長(zhǎng)。取光伏電池的輸出功率為目標(biāo)函數(shù)，控制量為用來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的PWM 信號(hào)的占空比D。圖4.2為模糊控制原理框圖，模糊自尋優(yōu)控制器的第n時(shí)刻的輸入量為第n時(shí)刻的功率變化量E(n)和第（n-1）時(shí)刻的占空比步長(zhǎng)值S(n-1) ，第n時(shí)刻

16、的輸出量為第n時(shí)刻的占空比步長(zhǎng)值S(n)。Ke、Ka為量化因子，負(fù)責(zé)將功率變化量e(n) 和占空比步長(zhǎng)s(n) 的實(shí)際值量化映射到模糊集合論域E(n)和S(n)。將語(yǔ)言變量E，S分別定義為8個(gè)和6個(gè)模糊子集，其中S(n1)和S( n) 變量子集和論域相同，統(tǒng)一將其命名為S。E = NB ，NM ，NS，NO，PO，PS，PM ，PB，S = NB，NM，NS，PS，PM，PB，其中NB、NM、NS、NO、PO、PS、PM、PB 分別表示負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，負(fù)0，正0，正小，正中，正大模糊概念。并將它們論域規(guī)定為14 個(gè)和12 個(gè)等級(jí)，即:E = 6， 5， 4， 3， 2， 1， 0，+ 0，+

17、 1，+ 2，+3，+ 4，+ 5，+ 6S = 6， 5， 4， 3， 2， 1，+ 1，+ 2，+ 3，+ 4，+5，+ 6。4.1.2隸屬度函數(shù)的確立根據(jù)光伏系統(tǒng)的特點(diǎn)，選擇三角形狀作為隸屬度函數(shù)的形狀，并且曲線距離原點(diǎn)越近，曲線越陡，表明其分辨率越高；距離原點(diǎn)越遠(yuǎn)，曲線越緩，表明其分辨率越低。功率差E和步長(zhǎng)S的隸屬函數(shù)如圖4.3、4.4 所示，其中圖4.3為功率差E的隸屬函數(shù)，圖4.4為步長(zhǎng)S的隸屬函數(shù)。圖4.3 功率變化E的隸屬度函數(shù)圖4.4 步長(zhǎng)S的隸屬度函數(shù)4.1.3 模糊控制規(guī)則制定圖4.6 輸出電流檢測(cè)電路根據(jù)光伏系統(tǒng)輸出功率P與U，U和占空比D之間的關(guān)系分析，可以得到如下原

18、則：（1）若輸出功率增加，則繼續(xù)向原來(lái)步長(zhǎng)調(diào)整方向，否則取相反的方向。（2）離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)處，采用較大步長(zhǎng)以加快跟蹤速度，離最大功率點(diǎn)附近，采用較小的步長(zhǎng)，減少搜索損失（3）當(dāng)溫度、光照強(qiáng)度等因素發(fā)生變化導(dǎo)致光伏系統(tǒng)功率發(fā)生較大變化時(shí)，系統(tǒng)能迅速作出反應(yīng)。根據(jù)上述原則，應(yīng)用if x1 is E(n) and x2 is S(n1) then S(n)模糊規(guī)則，最后得到模糊規(guī)則表，如表1所示。4.1.4 解模糊的確立通過(guò)模糊推理得到的通常是一個(gè)模糊集合或者隸屬函數(shù)，而實(shí)際控制中需要一個(gè)精確的控制量，將模糊推理得到的模糊輸出變換成精確輸出的過(guò)程就是解模糊過(guò)程，解模糊的方法有重心法、最大隸屬度法、平均法、加權(quán)平均法等，此處選用具有較高精度的重心法。各模糊量的賦值見(jiàn)表2。結(jié)論為進(jìn)一步提高光伏發(fā)電MPPT 控制品質(zhì)，對(duì)常規(guī)模糊控制算法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了基于占空比擾動(dòng)的模糊PID 雙?？刂撇呗?，即通過(guò)直接將占空比作為控制變量，在模糊