光伏发电最大功率跟踪系统的研究概要.docx
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光伏发电最大功率跟踪系统的研究概要
第25卷第l期2008年2月控制理论与应用
ControlTheory&Applications
VblI25NO.1Feb.20()8
文章编号:
1000-8152(2008)01—0167一05
光伏发电最大功率跟踪系统的研究
何薇薇1,杨金明1,张淼2
(1.华南理工大学电力学院.广东广州510640;2.广东工业大学自动化学院,广东广州510090)
摘要:
针对光伏发电系统最大功率跟踪问题,提出了一种新的自适应模糊控制器方案.理论证明,利用在线调整算法改变模糊规则使光伏发电系统达到了全局稳定,基于这种结构动态性能好,鲁棒性强,最后采用MATLAB7.0的SimulinkI具对光伏发电最大功率跟踪系统进行仿真,结果证明了其有效性.
关键词:
光伏发电系统;模糊控制:
自适应控制;仿真
中图分类号:
TKSl4文献标识码:
B
Photovoltaicmaximumpowerpointtrackingsystem
HEWei—weil,YANGJin—mingl,ZHANGMia02
(1.ElectricPowerCollege,SouthChinaUniversityofTechnology,GuangzhouGuangdong510640,China;
2.AutomationCollege,GuangdongUniversityofTechnology,GuangzhouGuangdong510090,China)
Abstract:
Anewadaptivefuzzycontrollingschemeisproposedforthephotovoltaicmaximumpowerpointtracking.Thetheoryprovesthatthealgorithmofon・-lineself-adjustingusedtoalterthefuzzyrolebasesmakesthephotovoltaicsys・-temstableglobally.Based
onsuchascheme,gooddynamicfunctionandhighrobustnessarcachieved.TheperformanceofthesystemisevaluatedbythesimulationconductedwithSimulinktoolsinMATLAB7.0andsatisfiedresultsareobtained.Keywords:
photovoltaicsystem;fuzzycontrol;adaptivecontrol;simulation
1引言(Introduction)
公认的技术含量最高、最有发展前途的新能源是太阳能.因其无污染、无噪声、不用燃料发电、运行成本很小,因此是理想的清洁能源,已广泛用于诸如蓄电池充电系统、水泵、家用电器、卫星能源及光伏并网发电等领域,但是太阳能发电与气候条件有关,通常需要配备储能装置,而且其成本费用高,发电效率较低,已成为限制其发展的主要因素之一.通过电力电子技术和控制技术实现太阳能光伏发电的最大功率跟踪(MPPT)。
是提高光伏发电系统的发电量、降低发电成本,进而广泛推广光伏发电技术的有效措施.目前,国内外己研究出多种方法,常用的有扰动观察法(P&0)【1】和电导增量法(INC)【21.这些算法结构简单,但在最大功率点附近,其扰动较大,且受环境影响,鲁棒性较差.
本文针对具有强非线性的光伏发电系统设计了模糊控制器【3 ̄5),并采用自适应算法对其进行优化,实现了模糊控制器参数自适应调整,控制效果通过
收稿日期:
2007--07—20;收修改稿日期:
2007-10--15.
基金项目:
国家自然科学基金重点资助项目(60534040)仿真和试验加以证实.
2光伏发电最大功率跟踪系统设计(DesignofMPPTsystem)
2.1光伏电池的工作特性(Vmodulecharacteris.tics)
光伏电池的输出特性方程为
,=屯G—bs_[eXp【南(弭IRs)卜1)一—V+矿IR—s.(1)’』LSh
式中:
1,V分别为分别为光伏电池的输出电压和输出电流,A为电池板特性常数,凡G为光电流,南s为暗饱和电流,T为光伏电池的表面温度,K为玻尔兹曼常数,Rsh为电池的并联电阻,冗s为电池的串联电阻,口为单位电荷.
图l为一定温度和光强下太阳能电池的,一y曲线,实直线为负载电阻线,虚曲线为等功率线,Pm为光伏电池的最大功率点.%,L分别为光伏电池在
168控制理论与应用第25卷
最大功率点运行时对应的电压和电流.
若将太阳能电池通过变换器与负载连接,光伏电池的工作点Pm(坛,L)则由负载限定.当负载不可调节时,太阳能电池运行在A点,A点的输出功率小于在最大功率点的输出功率.当负载可调节,通过检测光伏电池输出电压‰及电流‰,计算R、,,△Pp。
确定模糊控制律,调整DC/DC变换器的占空比,将负载电压调节至W处,使负载上的功率从A点移动到与太阳能电池的最大功率点在同一条等功率线上B点.同时引入自适应机制,自动调整模糊控制器参数,以适应外界环境变化.
O一名
y}\
图1一定温度和光强下Jr.y曲线
Fig.1
j-Vcharacteristicsinconstanttemperatureandirradiation
2.2光伏发电最大功率跟踪系统控制方案(SchemeofMPPTsystem)
定义光伏电池阵列实际输出功率与由太阳辐射决定的理想输出功率的偏差为
e=Pm—Ppv.(2)控制系统结构如图2所示,图中D为控制信号(开关器件的占空LB).模糊控制器(FLc)的输入变量为功率变化量e和上一时刻的占空比变化量△Dk,通过开关器件的占空比D控制DC/DC变换器,实现输出电压调节。
从而实现光伏电池输出功率调节.变换器采用三重Boost电路.自适应结构根据偏差e实现模糊控制器参数的调整.
图2控制系统结构图
Fig.2Thecontrolsystemblockdiagram3模糊控制器的设计(Designoffuzzycon—troller)
考虑如下仿射非线性系统[6I:
z(“)=/(x,圣,…,茁(“一1’)+bu,(3)%=z.(4)式中:
,为未知函数,6为未知的正常数.
取状态变量为
27=(z,圣,…,z(8—1’)T=(zl,z2,…,Xn)T.(5)控制的目标是基于模糊系统设计一个反馈控
制器珏=u(x10)和一个调整参数向量目的自适应律,使得系统输出PDv跟踪参考输出Pm.用如下模糊If-Then:
础):
Ifzlis矸and…and。
nis最,ThenuisQ7.(6)曰,Q7为R中模糊集合,i=1,2,…,n,r=1,2,….三礼.
模糊控制器为:
u=uF(zlO).(7)
模糊系统UF(x101由以下两步构造:
步骤l对变量z{(z=1,2,…,n),定义m{个模糊集合A:
‘(ft=1,2,…,厶。
).
步骤2有以下兀mi条模糊规则来构造模糊系统仳F(zI口),即
If
zlisA}and…z。
isA0,
ThenuFis∥l…k.(8)式中:
2l=1,2,…,m{,i=1,2,…,佗.
采用乘积推理机、单值模糊器和中心平均解模器来设计模糊控制器,即
∑…∑玩-ll…k(兀p冀。
(兢))uF(zI口)=璺百等乞F—兰一.(9)∑…∑(17肛!
i,(兢))
ix=1l”
选择沈…k为可调节的参数。
把这些参数放在集合0∈R兀mi中,这时模糊控制器为
UF(XlO)=俨∈(z),(10)式中:
0是nmt维向量;f(z)为模糊基函数,其第11…:
。
个元素为
∈lu"-n(加百罢灶,…)∑…∑(兀弘冀,(磊))
第1期何薇薇等:
光伏发电最大功率跟踪系统的研究
169
p中的一些参数初值按规则(6)选取,其余的参数可
取自适应律
随机选取.控制规则(6)通过设置其初始参数被嵌入
百=7eTP。
f(z),
宇檄愁
则=
-1.,eTQe_eWpnbw,(Designofadaptive
rule)
4自适应律的设计
州
定义跟踪误差向量为
z
.^托蓦0;蒌00
H§0
I
o
1
0..・
lll
’忙b童强㈩寸
定义最优参数及最小逼近误差:
0=arg
rai。
n【supIuo(zlO)一u’】,(16)
OERf1mt蚝舭
u=uD(xlO+)一U‘.
(17)
由式(10)和式(17),误差方程可写为
邑=Ae+b(O+一日)1’∈(z)一bw,
(18)
对误差动态定义Lyapunov函数为
y=≯Pe+刍(曰+一o)T(o+叫,
(19)
P是一个n×n维正定阵,且满足如下Lyapunov方程:
ATP+PA=一Q,
(20)
Q是一个任意的n×礼正定矩阵,7,b是正的常数.
对y沿误差轨迹求时间微分,并考虑(20),可得
矿:
lze'rQe+eTP6【(口’一口)T∈(z)一u】一孑b(p+一p)T旁=
leTQe+兰(弘口)TheTp。
∈(z)一旷e’。
¨,(21)
式中‰为矩阵尸的最后一列.
(22)
(23)
u是最小逼近误差。
可通过嵌入足够多规则的模糊系
统UF(zlp),使u充分小,并满足l
eTp。
如I<言e1‘Qe,
从而使f-<0,保证控制系统的全局稳定.5仿真研究(Simulationresearch)
模糊控制器的输入变量为功率变化量△最(e)和
上一时刻的占空比变化量△D七,输出变量为下一时刻的占空比变化量△D%+1,△Dk分为5个模糊集:
负大(NB),负小(NS),零(z0),正小(PS),正大(PB),AD女分为3个模糊集:
负(N),零(z),正(P),△Dk+1分为7个模糊集:
负大(NB),负中(卜订vI),负小(NS),零(ZO),正小(PS),正中(PM),正大(PB).输入变量的隶属度函数如图3所示.
才1
=
O
dl
鼍
O
O
蛾
(b)
图3输入变量的隶属函数
Fig.3
Membershipfunctionsofinputvariables
根据研究。
获得如下光伏发电最大功率跟踪系统模糊控制规则库,见表1.
表1模糊控制规则库
Tablel
Fuzzyruletable
△忍
△Dk
一
’。
NBNSZOPSPBⅣPB
PM
ZNM
NS
P
NB
NM
NS
NM
NB
ZOPSPM
PS
PB
PB
根据表1,用如下模糊规则If.Then规则来描述控制知识:
控制理论与应用第25卷
1)如果上一时刻的占空比D引起功率P增加,则下一时刻的D将按同样的方向变化;反之,则按相反的方向变化:
・IfADkisPandAPkisPB
ThenADk+1isPB
・IfADkisPandA最isPS
ThenADk+lisPM
・IfADkisNandAPkisPB
ThenADk+1isNB
・IfAD%isNandARisPS
ThenADk+1isNM
・If△DkisPandARisNB
ThenADk+1isNB
-IfADkisPandAPkisNS—
ThenADk+1isNM
・IfADkisNandARisNB‘
ThenADk+1isPB
・IfADkisNandARisNS
ThenADk+1isPM
2)若温度和日照发生变化,引起最大功率点发生变化,为了跟踪到最大功率点则要遵循以下规则:
・IfADkisZandAPkisPB
ThenADk+1isPM
・IfADkisZandARisPS
ThenADk+1isPS
・IfADkisZandARisNB
ThenADk+lisNM
・HADkiszandAPkisNS
ThenAD七+1isNS
舟p
3)当羔=0,为了防止输出功率在最大功率点振荡,找到真正的最大功率则要遵循以下规则:
・IfADkisPandA兄isZO
ThenAD七+1isPS
・IfADkisNandAPkisZO
ThenAD七+1isNS
・IfADkisZandAPkisZO
ThenADk+1isZO
根据光伏电池的数学模型【7J,在MATLAB/Simu.1ink环境中建立了介于自适应模糊控制的光伏发电最大功率跟踪系统的仿真模型.为了显示文中提出方法的控制效果,仿真中把结果和单独采用模糊控制做比较.仿真结果如图4所示.图中的(a)和(b)为系统采用模糊控制的%及Ppv随时间£变化的曲线,(c)和(d)为系统采用自适应模糊控制的%及Ppv随时间£变化的曲线.可以看到:
采用前一种方法响应速度慢,且在最大功率输出点摆动.采用后一种方法系统在小于O.0ls的时间内克服了扰动,找到最大功率点,响应速度快,在搜索到最大功率点时基本保持不变,具有较好的动态性能和精度.
>
、
b4
1器
80
70
≥60
≥4500
30
翟
>
、,
b4
t/S
(b)
,/S
(d)
图4仿真结果
Fig.4
Resultsofsimulation
第1期何薇薇等:
光伏发电最大功率跟踪系统的研究171(上接第166页")
为一个网络监测系统对风电场的多台风机进行同步监测记录.通过对监测结果的分析,可以为风机制造厂家的技术改进提供必要的依据.
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光伏发电最大功率跟踪系统的研究作者:
作者单位:
刊名:
英文刊名:
年,卷(期:
被引用次数:
何薇薇,杨金明,张淼,HEWei-wei,YANGJin-ming,ZHANGMiao何薇薇,杨金明,HEWei-wei,YANGJin-ming(华南理工大学,电力学院,广东,广州,510640,张淼,ZHANGMiao(广东工业大学,自动化学院,广东,广州,510090控制理论与应用CONTROLTHEORY&APPLICATIONS2008,25(12次参考文献(7条1.JABOORIMG;SAIEDMMAcontributiontothesimulitationanddesignoptimizationofphotovoltaicsystems19872.ALTASIH;SHARAFAMAnovelon-lineMPPTsearchalgorithmforPVarrays1996(043.LEECFuzzylogicincontrolsystems1990(024.TANAKAK;SUGENOMStabilityanalysisanddesignoffuzzycontrolsysytems[外文期刊]1992(025.WUTF;CHANGCH;CHENYHAfuzzy-logIc-controlledsinglestateconverterforPV-poweredlightingsystemapplications2000(026.ARABAH;DRISSBA;AMINEURRPhorovoltalcsystemsizingforslgeria1995(027.CHIANGSJ;CHANGKT;YENCYResidentialphotovoltaicenergystoragesystem[外文期刊]1998(03引证文献(4条1.李鹰.康龙云.朱洪波.孙静一种新型光伏发电系统最大功率跟踪算法[期刊论文]-电气传动2010(122.张敏.徐娟娟基于dP/de的太阳能发电系统最大功率控制方法[期刊论文]-电源技术2010(103.李鹰.康龙云.朱洪波.孙静一种新型光伏发电系统最大功率跟踪算法[期刊论文]-电气传动2010(124.张敏.徐娟娟基于dP/de的太阳能发电系统最大功率控制方法[期刊论文]-电源技术2010(10本文链接: