1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)模糊PID控制在光伏發(fā)電MPPT中的應用學 院： 信息工程學院 專 業(yè)： 控制工程 學生 姓名： 學 號： 任課 教師： 匯報日期： 年 月 日 摘要光伏電池的輸出功率隨外部環(huán)境和負載的變化而變化，為有效利用太陽能，需要對其進行最大功率點跟蹤( MPPT) 。模糊控制屬于有差控制，在最大功率點附近仍有振蕩存在，為進一步提高光伏發(fā)電MPPT 控制品質(zhì)，提出一種基于占空比擾動的模糊PID 雙?？刂撇呗?。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)采用模糊控制進行快速響應調(diào)整，在小偏差范圍內(nèi)的精度調(diào)整采用常規(guī)PID 控制，實現(xiàn)了MPPT 精確性和快速性的兼?zhèn)?。改進方法能夠快速、準確地跟蹤光伏電池的最大功率點，避免在最大功率點的振蕩，提高了能量轉(zhuǎn)換效率。關(guān)鍵詞最大功率點跟蹤模糊控制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、危機和環(huán)境污染的日趨嚴重，有效、合理地利用現(xiàn)有資源、保護環(huán)境已成為全球關(guān)注的焦點。太陽能光伏發(fā)電具有無污染、無噪聲、取之不盡、用之不竭等優(yōu)點，成為新能源研究的熱點之一。然而太陽能光伏組件是非穩(wěn)定電源，光照、溫度、負載的改變均會引起光伏電池輸出功率變化，為有效利用太陽能需要對其進行最大功率點跟蹤。目前已知MPPT 算法主要有固定電壓法、擾動觀察法、電導增量法、模糊控制法和神經(jīng)網(wǎng)絡法等。固定電壓法簡單且容易實現(xiàn)，但忽略了溫度對開路電壓的影響，所以并不能完全跟蹤最大功率點。擾動觀察法和電導增量法同為MPPT經(jīng)典算法，但擾動觀察法抗干擾能力較差，容易發(fā)生誤判現(xiàn)象。電導增量法控制復雜，對硬件要求高，需要

7、高精度的A/D 轉(zhuǎn)換器。兩種算法跟蹤步長設置大小都會影響系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，且較難找到平衡點。這些特性都限制了兩種算法的應用。模糊控制不依賴于被控對象的數(shù)學模型，能夠根據(jù)功率變化幅度自動調(diào)整占空比，能有效提高系統(tǒng)隨外部環(huán)境變化的快速響應能力，并能一定程度上減少最大功率點附近的振蕩。但是，模糊控制沒有積分環(huán)節(jié)，屬于有差控制，在最大功率點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)采用模糊控制進行快速響應調(diào)整，在小偏差范圍內(nèi)的精度調(diào)整采用常規(guī)PID 控制，兩種算法通過閾值比較的方式進行切換。兩種算法互為有益的補充，

8、實現(xiàn)了控制系統(tǒng)快速性和精確性的統(tǒng)一。本文重點討論了模糊控制器的設計。第2章 最大功率跟蹤簡介2.1 MPP及MPPT介紹圖1 光伏發(fā)電太陽能電池組件光伏陣列輸出特性具有非線性特征，其輸出受光照強度、環(huán)境溫度和負載情況影響。在一定的光照強度和環(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，光伏電池的輸出功率才能達到最大值，這時光伏電池的工作點就達到了輸出功率電壓曲線的最高點，稱之為最大功率點(maximum power point，MPP)。2.2 光照強度和溫度變化對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度和溫度變化都會導致光伏電池的最大功率點移動，因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，一個重要的途徑就是實時調(diào)整光伏電池的工作點，使之始終工作在最大功率點附近，這一過程就稱之為最大功率點跟(maximum power point tracking，MPPT)，如圖2.3 I-U特性曲線與負載特性的交點即為最大功率點。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)控制算法進行分類，也可根據(jù)具體實現(xiàn)環(huán)節(jié)的控制參數(shù)分類。若根據(jù)MPPT算法的特征和具體實現(xiàn)機理的過程，可將MPPT方

10、法分為三大類： 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。在具體設計過程中采納何種算法來實現(xiàn)MPPT，還要根據(jù)控制過程的具體成本核算以及控制要求精度來決定。3.1干擾觀測法圖 3.1 太陽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出其輸出功率，然后在該電壓基礎(chǔ)之上加一個正向電壓擾動量，再次檢測光伏電池輸出功率。根據(jù)功率變化方向，改變輸出電壓，直到輸出功率穩(wěn)定在設定的一個很小范圍內(nèi)，即可認為達到了最大功率點。該方法的優(yōu)點是控制算法比較簡單，對電量傳感器精度要求不高。其缺點為需要始終判斷對電壓加以干擾的系統(tǒng)是否工作在最大

11、功率點處。因此即使是在穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng)工作電壓也不能穩(wěn)定在一個特定值上，不可避免地會造成一定功率損失。若擾動步長較大，則系統(tǒng)能較快搜尋到最大功率點處，動態(tài)響應較快，但會在最大功率點附近有較大波動，功率損失也較大而若步長較小，相應的在最大功率點附近的波動較小，但系統(tǒng)搜尋最大功率點幫需要較長時間，動態(tài)響應較慢。跟蹤步長的設定難以兼顧跟蹤精度和響應速度，并且有時會出現(xiàn)判斷錯誤現(xiàn)象。所以，干擾觀測法適用于外界環(huán)境較穩(wěn)定的中小功率系統(tǒng)，并在滿足一定的動態(tài)響應的基礎(chǔ)上，盡量減小擾動步長，增大控制周期，即以犧牲部分動態(tài)響應速度來提升系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度和抗擾動熊力。由于光伏系統(tǒng)為長期運行系統(tǒng)，因此系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性更為重要，

12、干擾觀測法在中小功率系統(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、步長和控制周期選取有沖突等，因此就出現(xiàn)了對其改進的一些控制方法。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，說明光伏電池的最大功率輸出點大致對應某一恒定電壓，可對其進行等效代替。通過實驗測試，可以得到光伏電池在某一日照強度及溫度下的最大功率點的電壓值，該電壓即可看做最大功率點處的工作電壓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度下的功率-電壓曲線在光伏

13、初期應用中，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，因為外太空溫度變化小，光照強度恒定，所以恒定電壓法可以維持輸出功率在最大功率點處。但對于大多數(shù)實際應用的光伏系統(tǒng)，外界環(huán)境都在時刻變化，如果輸出電壓始終保持不變則會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經(jīng)驗，具有不依賴被控對象的精確數(shù)學模型、魯棒性強、響應速度快的特點，適用于難以建立數(shù)學模型的對象，或?qū)Ω蓴_十分嚴重的系統(tǒng)進行控制。模糊控制在實現(xiàn)過程中，先把采集到的信息模糊化，然后進行模糊決策，求得控制量的模糊集，再經(jīng)去模糊化得出輸出控制量，作用于被控對象，使被控過程達到預期的控制效果。模糊控制沒有積分環(huán)節(jié)，

14、屬于有差控制，在最大功率點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)采用模糊控制進行快速響應調(diào)整， 在小偏差范圍內(nèi)的精度調(diào)整采用常規(guī) PID 控制， 兩種算法通過閾值比較的方式進行切換 。 兩種算法互為有益的補充， 實現(xiàn)了控制系統(tǒng)快速性和精確性的統(tǒng)一。圖4.1 模糊MPPT控制的改進方法原理框圖4.1 模糊控制器設計4.1.1 確定輸入輸出量及模糊子集光伏系統(tǒng)是一個非線性系統(tǒng)，很難用精確的數(shù)學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的采樣信號經(jīng)過計算得到功率值P，通過比較當

15、前時刻與上一時刻功率變化，得到誤差P，有E=P(n)-P(n-1)在第n時刻，模糊控制器的輸入量為第n時刻的功率變化量E（n），反饋中第n-1時刻的占空比步長值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時刻的占空比步長值S(n)。圖4.2 模糊控制原理框圖基于干擾觀測法的原理，根據(jù)功率值的變化量和前一時刻的占空比調(diào)整步長，來決定本時刻的占空比調(diào)整步長。取光伏電池的輸出功率為目標函數(shù)，控制量為用來控制開關(guān)管的PWM 信號的占空比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時刻的輸入量為第n時刻的功率變化量E(n)和第（n-1）時刻的占空比步長值S(n-1) ，第n時刻

16、的輸出量為第n時刻的占空比步長值S(n)。Ke、Ka為量化因子，負責將功率變化量e(n) 和占空比步長s(n) 的實際值量化映射到模糊集合論域E(n)和S(n)。將語言變量E，S分別定義為8個和6個模糊子集，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 分別表示負大，負中，負小，負0，正0，正小，正中，正大模糊概念。并將它們論域規(guī)定為14 個和12 個等級，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，選擇三角形狀作為隸屬度函數(shù)的形狀，并且曲線距離原點越近，曲線越陡，表明其分辨率越高；距離原點越遠，曲線越緩，表明其分辨率越低。功率差E和步長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)向原來步長調(diào)整方向，否則取相反的方向。（2）離最大功率點較遠處，采用較大步長以加快跟蹤速度，離最大功率點附近，采用較小的步長，減少搜索損失（3）當溫度、光照強度等因素發(fā)生變化導致光伏系統(tǒng)功率發(fā)生較大變化時，系統(tǒng)能迅速作出反應。根據(jù)上述原則，應用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 解模糊的確立通過模糊推理得到的通常是一個模糊集合或者隸屬函數(shù)，而實際控制中需要一個精確的控制量，將模糊推理得到的模糊輸出變換成精確輸出的過程就是解模糊過程，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。各模糊量的賦值見表2。結(jié)論為進一步提高光伏發(fā)電MPPT 控制品質(zhì)，對常規(guī)模糊控制算法進行了改進，提出了基于占空比擾動的模糊PID 雙模控制策略，即通過直接將占空比作為控制變量，在模糊