模糊PID控制在光伏发电MPPT中的应用

模糊PID控制在光伏发电MPPT中的应用学院：信息工程学院专业：控制工程学生姓名：学号：任课教师：汇报日期：年月日摘要I摘要光伏电池的输出功率随外部环境和负载的变化而变化，为有效利用太阳能，需要对其进行最大功率点跟踪(MPPT)。模糊控制属于有差控制，在最大功率点附近仍有振荡存在，为进一步提高光伏发电MPPT控制品质，提出一种基于占空比扰动的模糊PID双模控制策略。其基本方法是直接将占空比作为控制变量，在模糊控制基础上加入了传统的PID控制，在大偏差范围内采用模糊控制进行快速响应调整，在小偏差范围内的精度调整采用常规PID控制，实现了MPPT精确性和快速性的兼备。改进方法能够快速、准确地跟踪光伏电池的最大功率点，避免在最大功率点的振荡，提高了能量转换效率。关键词最大功率点跟踪模糊控制PID控制AbstractIIAbstractTheoutputpowerofPVmodulevarieswithmoduletemperature．Inordertoeffectivelyusesolarenergy，itneedsmaximumpowerpointtracking(MPPT)．Fuzzycontrolisstaticerrorcontrol，itstillhasoscillationsexistingnearthemaximumpowerpoint．InordertofurtherimprovethephotovoltaicMPPTcontrolquality，afuzzyPIDcontrolstrategybasedonthedutycycleperturbationwasproposed．ThebasicapproachesaretodirectlytakethedutycycleascontrolvariablesandtointroducethefuzzycontroltothetraditionalPIDcontrol．ThefuzzycontrolisusedtorespondquicklytoadjustmentsinthelargedeviationsandtheconventionalPIDcontrolisusedforaccurateadjustmentwithinsmalldeviationsbothwiththeaccuracyofandtherapidityofMPPT．Thesimulationresultsshowthatthismethodcanquicklyandaccuratelytrackthemaximumpowerpointofphotovoltaiccells，avoidtheoscillationinthemaximumpowerpoint，andimprovetheenergyconversionefficiency．KeywordsMPPTFuzzycontrolPIDcontrol第2章最大功率跟踪介绍3目录摘要.......................................................................................................................IABSTRACT.............................................................................................................II第1章绪论........................................................................................................41.1题目背景...............................................................................................4第2章最大功率跟踪简介................................................................................52.1MPP及MPPT介绍...............................................................................52.2光照强度和温度变化对MPP影响.....................................................6第3章常用的MPPT控制方法........................................................................73.1干扰观测法............................................................................................73.1恒电压控制法........................................................................................8第4章模糊PID控制.......................................................................................114.1模糊控制器设计.................................................................................124.1.1确定输入输出量及模糊子集....................................................124.1.2隶属度函数的确立.....................................................................134.1.3模糊控制规则制定....................................................................154.1.4解模糊的确立............................................................................16结论....................................................................................................................18参考文献............................................................................................................19Abstract4第1章绪论1.1题目背景随着全球性能源危机和环境污染的日趋严重，有效、合理地利用现有资源、保护环境已成为全球关注的焦点。太阳能光伏发电具有无污染、无噪声、取之不尽、用之不竭等优点，成为新能源研究的热点之一。然而太阳能光伏组件是非稳定电源，光照、温度、负载的改变均会引起光伏电池输出功率变化，为有效利用太阳能需要对其进行最大功率点跟踪。目前已知MPPT算法主要有固定电压法、扰动观察法、电导增量法、模糊控制法和神经网络法等。固定电压法简单且容易实现，但忽略了温度对开路电压的影响，所以并不能完全跟踪最大功率点。扰动观察法和电导增量法同为MPPT经典算法，但扰动观察法抗干扰能力较差，容易发生误判现象。电导增量法控制复杂，对硬件要求高，需要高精度的A/D转换器。两种算法跟踪步长设置大小都会影响系统的动态和稳态性能，且较难找到平衡点。这些特性都限制了两种算法的应用。模糊控制不依赖于被控对象的数学模型，能够根据功率变化幅度自动调整占空比，能有效提高系统随外部环境变化的快速响应能力，并能一定程度上减少最大功率点附近的振荡。但是，模糊控制没有积分环节，属于有差控制，在最大功率点附近的振荡仍然存在。为此，本文将传统的PID控制引入到模糊控制当中，提出模糊/PID控制的双模组合控制算法。在大偏差范围内采用模糊控制进行快速响应调整，在小偏差范围内的精度调整采用常规PID控制，两种算法通过阈值比较的方式进行切换。两种算法互为有益的补充，实现了控制系统快速性和精确性的统一。本文重点讨论了模糊控制器的设计。第2章最大功率跟踪介绍5第2章最大功率跟踪简介2.1MPP及MPPT介绍图1光伏发电太阳能电池组件光伏阵列输出特性具有非线性特征，其输出受光照强度、环境温度和负载情况影响。在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最大值，这时光伏电池的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点(maximumpowerpoint，MPP)。Abstract62.2光照强度和温度变化对MPP影响图2.1光伏电池输出特性随光照的变化曲线25℃35℃45℃55℃功率P电压UO图2.2光伏电池输出特性随温度的变化曲线光照强度和温度变化都会导致光伏电池的最大功率点移动，因此，在光W/m2800W/m2600W/m2400W/m2O功率P电压U第2章最大功率跟踪介绍7伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大功率点跟(maximumpowerpointtracking，MPPT)，如图2.3I-U特性曲线与负载特性的交点即为最大功率点。图2.3光伏电池I/P-U曲线第3章常用的MPPT控制方法7第3章常用的MPPT控制方法MPPT方法可根据控制算法进行分类，也可根据具体实现环节的控制参数分类。若根据MPPT算法的特征和具体实现机理的过程，可将MPPT方法分为三大类：①基于参数选择方式的间接控制法；②基于采样数据的直接控制法；③基于现代控制理论的人工智能控制法。在具体设计过程中采纳何种算法来实现MPPT，还要根据控制过程的具体成本核算以及控制要求精度来决定。3.1干扰观测法图3.1太阳能能电池输出功率与输出电压曲线首先在光伏电池工作的某一参考电压下检测出其输出功率，然后在该电压基础之上加一个正向电压扰动量，再次检测光伏电池输出功率。根据功率变化方向，改变输出电压，直到输出功率稳定在设定的一个很小范围内，即内蒙古科技大学研究生课程学习汇报8可认为达到了最大功率点。该方法的优点是控制算法比较简单，对电量传感器精度要求不高。其缺点为需要始终判断对电压加以干扰的系统是否工作在最大功率点处。因此即使是在稳态时，系统工作电压也不能稳定在一个特定值上，不可避免地会造成一定功率损失。若扰动步长较大，则系统能较快搜寻到最大功率点处，动态响应较快，但会在最大功率点附近有较大波动，功率损失也较大而若步长较小，相应的在最大功率点附近的波动较小，但系统搜寻最大功率点帮需要较长时间，动态响应较慢。跟踪步长的设定难以兼顾跟踪精度和响应速度，并且有时会出现判断错误现象。所以，干扰观测法适用于外界环境较稳定的中小功率系统，并在满足一定的动态响应的基础上，尽量减小扰动步长，增大控制周期，即以牺牲部分动态响应速度来提升系统稳态精度和抗扰动熊力。由于光伏系统为长期运行系统，因此系统稳态特性更为重要，干扰观测法在中小功率系统还是比较适用的。由于传统干扰观测法具有诸多缺陷，如稳态精度不够、光照剧烈变化出现误判、步长和控制周期选取有冲突等，因此就出现了对其改进的一些控制方法。3.1恒电压控制法在一定温度情况下，最大功率点近似分布在同一