基于模糊逻辑控制的滑模系统的直流变直流升压变换器

基于模糊逻辑控制的滑模系统的直流变直流升压变换器在光伏系统中的应用摘要：为了从光伏能源系统中获得最大的功率，必须及时的跟踪光伏阵列的最大功率点。非线性时变的光伏阵列和非线性、非最小相位的升压变换器使传统的控制策略很难追踪最大功率点。在这篇文章中，提出了关于追踪太阳能光伏系统最大功率点的新的设计方案。这个方案由阻抗匹配的直流变直流的升压变换器构成，并且传输的最大功率由占空比所控制。即使太阳光强度快速变化，通过应用基于模糊逻辑控制的滑动模型能够迅速的追踪光伏阵列的最大功率点。I介绍如今，在许多场合，光伏系统都作为能量的来源，在没有公用电网的偏远地区，光伏系统随处可见。光伏电池能够使得用户获得清洁和可靠的电能，但是光伏阵列的效率却非常低。由于太能能电池的高损耗，使得最大功率追踪器需要工作在光伏阵列的最大功率点处，因此，从光伏阵列中获得最大的功率取决于三个因素：照射量、负载阻抗和电池温度。为了从光伏阵列中获得最大功率，所以必须使用最大功率追踪器。变化的光照强度使得追踪器偏离最大功率点。当光照条件变化时，追踪器需要在短时间内对所发生的变化做出相应，从而避免能量的损失。在此文中，我们使用直流变直流变换器和基于模糊逻辑控制的滑动模型策略来提高太阳能系统的性能。即使光照、温度和负载发生变化，这种控制能使输出保持恒定，并且使得光伏系统稳定的工作在最大功率点处。通过对光伏电池应用这种数学模型，我们进行了各种仿真实验来计算这种控制系统的效率。II系统描述与建模如图1所示，完整的系统基本上由三个功能模块构成：作为输入装置的光伏面板，直流变直流的升压变换器和基于模糊滑模控制的控制器A.太阳能电池建模为了更好的了解太阳能电池的电气特性，与之建立电气性能等效的模型是非常有效的，并且该模型建立在电气性能易知的单一电气元件上。理想的太阳能电池模型是一个电流源和一个二极管的并联，而实际上，太阳能电池是理想的，所以该模型需要加上一个并联的电阻RP和一个串联的电阻RS。太阳能电池是非线性装置，并且能作为一个电流源模型。如图2所示，电流源的输出与太阳光辐射水平成正比。RP是太阳能电池的等效并联阻抗，并且它的值通常非常大。图2太阳能电池的等效电路为了使这个模型更加精确，并联的二极管应该含有并联的电阻。为使该研究有效，采用一个复杂度适中的模型。该模型包含了受温度决定的光电流IL、二极管饱和电流IO、并联电阻RS和并联二极管。以下方程描绘了光伏电池的伏安特性：I：电池输出电流（A）IL：光生电流（A）IO：电池饱和电流（A）V：电池输出电压（V）Rs：串联电阻（Ω）n：理想因子K：玻尔兹曼常数q：电荷量T：电池温度（℃）ISC：短路电流G：面板接收的有效辐射量Gerf：1000W/㎡的辐射常数T1：面板工作工作温度T2：温度常数75℃Voc(T1)：每个电池在温度T1下的开路电压Isc(T1)：电池在温度T1下的短路电流方程（1—8）用来对光伏电池进行仿真以及改变工作条件，如图3所示图3simulink中的光伏电池子系统A.I.辐射水平和温度为常数光伏电池的伏安特性是非线性的，这使得很难确定最大功率点。方程（1）用MATLAB仿真得到光伏阵列的特性曲线。图4和图5分别描绘出了光伏阵列在固定温度（T=25℃）和在固定辐射水平（G=1000W/㎡）下的伏安特性和瓦伏特性。图4固定温度和固定辐射水平下的图5固定温度和固定辐射水平下的光伏阵列伏安特性光伏阵列瓦伏特性A.2辐射水平可变而温度为常数如图6和7所示，在固定温度（T=75℃）的条件下，分别对应于不同辐射量的伏安去曲线和瓦伏曲线。伏安特性曲线表明在图上有两个区域：一个是电流源区域，另一个是电压源区域。在电压源区域（在曲线的右边），内部阻抗小。在电流源区（在曲线的左边），阻抗大。辐射温度对伏安特性曲线有巨大的影响，并且在设计光伏系统时，两者的影响都必须考虑进去。如下可知辐射影响输出，温度主要影响末端电压。图6温度固定，不同辐射下的光伏阵列图7温度和辐射均固定的光伏阵列伏安特性瓦伏特性A.3.温度可变而辐射为常数太阳能电池的性能会随温度的变化而变化。温度变化会影响电池的功率输出。电压也取决于温度，而温度的增加会减少电压。图8表明了在辐射为常量的条件下，不同温度对光伏电池伏安特性曲线的影响。随着温度的下降，光伏电池的电流稍有下降，但光伏电池的电压明显增加。正如图9所示，随着温度的下降，光伏电池的输出功率增加。图8辐射固定，温度可变的的条件下，图9辐射固定，温度可变的条件下，光伏阵列的伏安特性曲线光伏阵列的瓦伏特性曲线B.直流—直流升压变换器建模升压变换器是把电压升高的所必须的变换器，它能将输入端的低压在输出端提供更高的电压。理想升压变换器的模块图如图10所示，而图11展示了升压变换器的电压关系、电容电压的波形和电感的电流波形。电路有两种工作状态，假设元件均为理想元件并且假定流过电感的电流为常量。这种工作条件被称为“连续工作模式”，当晶体管导通时，输入电压等于电感电压，并且当晶体管关断时，流过电感的电流将通过二极管，这使得输出电压等于x，而二极管的电压与输出电压相比非常小，所以有VX=VO假设电路工作在电感电流连续的条件下，如图11所示，我们认为电感电压在一个周期内为零，如果电感是理想的，如方程（9）所示不考虑二极管的电压，如图10所示，我们能写出输出电压与输入电压的关系。图10直流—直流升压变换器图11连续工作模式下的纹波通过功率守恒的关系可得方程11，我们能得到输出电流和输入电流的的关系，并将此做为方程12。输入电压和输出电压的关系与开关的占空比D有关，根据方程10，我们知道占空比D是一个0到1之间的一个数，那么输出电压总是比输入电压高得多。将基尔霍夫定律分别应用到包含电感的回路和连接电容支路的节点，如果假设电感处于电流连续的工作模式下，我们能获得状态方程。在第一个状态中，开关闭合，电路如图12所示，并且电感电流的动态方程和电容的电压动态方程如方程13所示。在第二个状态中，开关断开，电路如图13所示，且方程式变成动态方程14。III控制策略当应用滑模控制时策略时，图20展示了系统开关器件控制的一般模块图。工作方案如图20所示：线性控制电压将电压的误差信号转换成滑模控制器的电流参考信号，该控制器通过给开关控制电路逻辑数值而调节电流误差，而这些逻辑数值就是上面提到过的控制方法。电流发生变化要比电压发生变化快，因此，开关工作在电流振荡下要比工作在电压振荡下有更好的动态响应。注意到光伏电池的电压变化是温度变化的结果，而这与太阳光辐射强度变化所引起的电流变化要小的多。图20滑模控制策略图A.模糊逻辑控制在1965年，扎德提出模糊逻辑，并被有效应用到许多知识领域去解决诸如控制和最优化的问题。在过去的30年来，模糊逻辑作为控制的方法论取得了巨大的成效，并且其在工程控制上的应用使它得到了很好地检验，在一定意义上，模糊逻辑是一种逻辑系统，而这一系统是多值逻辑的分支。由于人类的推理工程和思考方式与模糊逻辑执行的方式非常类似，这让它变得非常流行。在电力系统领域，它已经被用于稳定性研究、负载频率控制、机组组合、在分布电网中的无功补偿和其他领域。模糊控制最重要的优点是对系统动态性能的良好感知能力。模糊控制系统的简单模块如图16所示。图20模糊控制器模块图四个主要单元是模糊化模块、模糊知识基本库模块、模糊准则和反模糊化模块。该系统的这些模块的功能和工作准则简单总结如下。A.1模糊逻辑从属函数直流—直流升压变换器是占空比的非线性函数，因为小信号模型和控制方法被应用到升压变换器的控制中去。而模糊控制不需要精确的数学模型，恰好相反，它们的设计是基于装置的最普遍的知识。模糊控制器被设计成能适应不同的工作状态。模糊逻辑控制器被设计用来控制或者将电压的误差信号转化成应用曼达尼模糊模型的电流参考信号。模糊逻辑器的两个输入变量：误差和误差的变化。单一的输出变量是电流参考输出。模糊集合必须对每一个输入和输出变量进行定义。正如同图17—19所示的五个模糊子集：正向大、正向小、零、负向小、负向大，这些子集根据输入变量误差、误差的变化和输出来选择。三角模型和梯形模型已经应用到的从属函数中。输出误差数值在[-12m,+12m]之间，输入误差在[-1,1]之间，通过合适的比例，输出的数值在[0,17.31]之间。图17误差的从属函数图图18误差变化的从属图19输出的从属函数函数图图A.2模糊逻辑准则表分析系统的性能可以得到模糊逻辑控制准则，在这下准则中，必须考虑到不同的控制方法决定了工作状态，并且就动态响应和鲁棒特性而言，它能大幅度提高变换器的性能。第一，当输出电压远离设定的点i.e，那么误差就是PL或NL，为了让动态响应尽可能的快，由控制器完成相应的动作后必须让i.e非常接近电流的参考值，而且电流的极限值必须考虑进去。第二，当输出电压误差接近零时，误差是NS、Z、PS。为了确保工作点的稳定性，电流误差必须考虑到电流模型控制。最后，当电流接近极限值时，为了让它工作在电流的极限范围了，即使有防止超出电流范围的措施，合适的准则必须介入。误差和误差的变化的滑模控制能总结于如下表中：表I误差和误差变化准则表B滑模控制带有能够处理非线性的开关模型（比如直流—直流变换器）的控制方法主要代表有SMC，这个是由VSCS理论推导而来。这个控制方法对其他控制方法具有几个优势：1、对负载的大幅度变化和严重的非线性都具有较好的稳定性2、鲁棒性3、良好的动态响应4、容易实现系统的状态由一个n个元素的向量x表示，其中n也为系统的命令。如果状态x是可测量的，那么我们就能够利用经典的反馈理论来设计控制系统，。这种控制方法也能应用到结构时变的系统中。从向量KX中可知，它包含了诸多反馈系数，因此，我们能定义以下函数（15）：其中，r为参考向量，KX为包含参考系数，函数S（x）与控制系统误差有关，如果是S（x）趋向于零，如果强制遵循以下规则，那么控制系统的问题就得到了解决：等式16定义了一个n维向量空间。举例来说，如果我们将这个可控系统看作是第二个指令系统，那么关系式（16）是第一指令区域，在状态可变的角度来说，它就是一条直线。滑模存在的条件可以用以下式子表示：表达式（17）满足的条件是控制的输入能用下面的表达式（18）表示：其中,u+和u-是由连续函数决定的，而连续函数由控制系统确定。如果控制输入连续的在u+和u-变化，这也证实了等式（17）成立的条件，那么我们就可以认为系统工作在滑动模型下。图14描绘来滑动模型图如何控制动态光伏系统的状态空间的工作机理，而图15展示了在n=2的条件下，滑动模型如何让追踪最大功率点的工作机理。图14滑动模型追踪最大功率点的工作机理图15光伏系统的滑动模型IV仿真结果A.直流-直流升压变换器的开环仿真图21展示了一个具有输入电压、输出电压以及状态可变的的开环升压变换器，其中，输出电压VO=VC，IL=Iin，晶体管的输入信号“g”控制变换器的开关，输入信号“g”是由一系列的脉冲组成，其周期为T，脉冲宽度为ＤＴ。晶体管对输出电压和电感电流的响应仿真结果分别如图２２和图２３所示，并且我们知道，当电路工作在开环时会有一个误差。图２１直流－直流升压变换器的开环模型图２２输出电压的暂态响应图２３电感电流的暂态响应Ｂ．直流－直流升压变换器的闭环仿真具有反馈环的直流—直流变换器的滑模控制系统的仿真结构如图２４所示。图２４滑模控制的直流－直流升压变换器图２５和图２６分别是在没有扰动的条件下输出电压的暂态响应和电感电流的暂态响应。图２７是当输入电压发生３１．２５％，的变化时电感电流的暂态响应，接着，电流和电压发生同样的变化，我们能知道，这一变化会对光伏电池产生影响，而不会对光伏系统的伏安特性的工作点产生影响，这一伏安特性的建立是在有扰动的条件下的。图２９和图３０分别是在负载电阻数值发生５０％的输出电压的暂态响应和电感电流的暂态响应，并且电流一直保持不变，直到在负载电阻或输入电压上产生新的扰动。图２５：正常条件下的输出电压的图２６：正常条件下的电感电流的暂态响应暂态响应图２７输入电压发生３