基于模糊逻辑控制的光伏电池MPPT仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于模糊逻辑控制的光伏电池MPPT仿真方法，包括模糊控制器的设计、模糊逻辑控制仿真；其中模糊控制器的设计包括确定输入输出量及控制器的结构、确定输入输出量的模糊子集与论域、确定输入输出量的隶属度函数、确定模糊控制规则等步骤。本发明专利技术结合扰动观察法的控制思想以及模糊逻辑控制理论，提出一种基于模糊逻辑控制的光伏电池MPPT算法；通过搭建仿真模型，与扰动观察法和电导增量法进行对比仿真；仿真结果表明，模糊逻辑控制非常适用于光伏系统的MPPT控制，能够快速准确地锁定MPP范围，而且系统稳定后波动很小。

【技术实现步骤摘要】
基于模糊逻辑控制的光伏电池MPPT仿真方法
本专利技术涉及一种光伏电池MPPT仿真方法。
技术介绍
受到温度和光强等外界环境因素的影响，光伏电池在实际工作中呈现出强烈的非线性，不同条件下，光伏电池的运行存在着不同且唯一的最大功率点(MPP)，所以，研究光伏电池最大功率点跟踪(MPPT)策略，以确保光伏电池最大限度地将光能转换为电能，对光伏发电技术的发展具有重要的意义。MPPT的本质是一个动态自寻优的过程，它起到匹配光伏电池内阻和外部负载阻抗的作用，MPP就是光伏电池的最佳工作点。目前常用的MPPT算法主要有恒定电压法(CVT)、扰动观察法(P&O)、电导增量法(INC)等。恒定电压法容易实现，但是光伏电池MPP对应的电压受环境温度的影响会产生偏移，当环境温差较大时，该方法跟踪精度较低，损失功率较大；扰动观察法结构简单，测量参数少，控制难点在于扰动步长的选定难以兼顾跟踪速度和跟踪精度，而且当光照强度剧烈变化时容易造成误判；电导增量法能适应光照强度的快速变化，跟踪精度较高，但是电导量值很小，在线计算量大，对传感器的精度要求很高，实际应用相对困难。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种非常适用于光伏系统的MPPT控制，能够快速准确地锁定MPP范围，而且系统稳定后波动很小的基于模糊逻辑控制的光伏电池MPPT仿真方法。本专利技术的技术解决方案是：一种基于模糊逻辑控制的光伏电池MPPT仿真方法，其特征是：包括下列步骤：(一)模糊控制器的设计1)确定输入输出量及控制器的结构：选用双输入单输出的二维模糊控制器结构；参考扰动观察法的控制原理，以dP与dP/dV作为系统的模糊输入量，以步长变化值ds作为模糊输出量，通过判断两个输入量的状态，确定工作点的位置，迅速实现跟踪，具体控制规则为：1)当dP>0，dP/dV>0时，工作点在MPP左侧，靠近MPP；2)当dP>0，dP/dV<0时，工作点在MPP右侧，靠近MPP；3)当dP<0，dP/dV>0时，工作点在MPP左侧，远离MPP；4)当dP<0，dP/dV<0时，工作点在MPP右侧，远离MPP。以步长变化值ds作为模糊输出量，通过步长值的改变来调整电路占空比，使系统工作在MPP上；dP：功率变化值；dP/dV：功率变化率；2)确定输入输出量的模糊子集与论域：将模糊输入量和模糊输出量分割为7个模糊子集，通过模糊集合的形式表达出来，其中：dP＝{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}dP/dV＝{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}ds＝{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大的模糊概念；将dP和dP/dV的论域分别规定为[-5,5]和[-4,4]，将ds的论域规定为[-5,5]；3)确定输入输出量的隶属度函数：隶属度函数是模糊集合的核心，它表达了论域中各个元素对于模糊集合的隶属度；在考虑模糊集合分布的时候，需要满足三个基本要求：1)论域上任意一个元素至少存在一个模糊子集对应；2)论域上任意一个元素不能同时是两个模糊子集的核；3)论域上任何一个元素不能只属于一个模糊子集；根据以上三个要求，设计出dP，dP/dV和ds的隶属度函数；为了保证系统可靠运行，将NB和PB选择为梯形隶属度函数，其余模糊子集选择性能较好、计算方便的三角形隶属度函数；在远离原点的地方，曲线较缓，分辨率较低，便于提高跟踪速度；在靠近原点的地方，曲线较陡，分辨率较高，便于提高跟踪精度；4)确定模糊控制规则模糊控制规则是模糊控制器的核心；根据功率和占空比之间的关系，并考虑外界环境因素的影响，得出如下几条设计原则：1)如果输出功率增加，则向原方向调整步长，反之，则向反方向调整步长；2)为了取得更好的跟踪效果，在离MPP较远时，采用较大步长，提高跟踪速度，在离MPP较近时，采用较小步长，减小功率损失；3)当达到以MPP为中心的极小范围内时，系统稳定下来，当外界环境再次发生变化时，系统可以迅速响应，再次寻优；根据以上设计原则，使用IFAANDBTHENC的模糊规则，建立模糊控制规则表，由MATLAB模糊控制编辑器得到的模糊控制规则视图；模糊控制规则表(二)模糊逻辑控制仿真仿真模型：在MATLAB的模糊控制编辑器中，选择Mamdani模糊推理类型，模糊逻辑区填写内容；在Simulink中搭建模糊控制器的仿真模型；其中量化因子分别取0.005和1，比例因子取0.0002。模糊控制编辑器的模糊逻辑区填写内容为本专利技术结合扰动观察法的控制思想以及模糊逻辑控制理论，提出一种基于模糊逻辑控制的光伏电池MPPT算法；通过搭建仿真模型，与扰动观察法和电导增量法进行对比仿真；仿真结果表明，模糊逻辑控制非常适用于光伏系统的MPPT控制，能够快速准确地锁定MPP范围，而且系统稳定后波动很小。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1是光伏电池仿真模型图。图2、图3分别是温度25℃时光伏电池在不同光照强度下的I-U输出特性曲线、P-U输出特性曲线。图4是扰动观察法流程图。图5是电导增量法流程图。图6是扰动观察法仿真模型图。图7是电导增量法仿真模型图。图8是P&O跟踪波形示意图。图9是INC跟踪波形示意图。图10是dP隶属度函数示意图。图11是dP/dV隶属度函数示意图。图12是ds隶属度函数示意图。图13是模糊控制规则视图。图14是模糊逻辑控制器仿真模型示意图。图15是模糊逻辑控制仿真跟踪波形图。图16是模糊逻辑控制仿真功率波动波形图。图17是三种算法仿真结果对比示意图。具体实施方式2.光伏电池特性研究2.1光伏电池数学模型光伏电池是光伏发电系统的核心部件，可以看作一个非线性直流源。由于从光伏电池等效电路得到的物理模型中有部分参数难以定量，比如光生电流Iph、二极管反向饱和电流I0等，不便于计算与建模，因此在实际应用中，通常使用光伏电池工程模型：I＝Isc-C1Isc[exp(V/C2Voc)-1](1)考虑两个特殊情况：1)最大功率点，此时V＝Vm，I＝Im，2)开路状态下，此时V＝Voc，I＝0，可分别解出：C1＝(1-Im/Isc)exp(-Vm/C2Voc)(2)C2＝(Vm/Voc-1)[ln(1-Im/Isc)]-1(3)其中，Voc、Isc、Vm和Im分别为光伏电池在标准测试条件下的开路电压、短路电流、最大功率点电压和最大功率点电流，这些都是生产厂家提供的参数。光伏电池工程模型建立了输出特性与标准参数之间的联系，便于计算和建模，在实际工程中有广泛的应用。当温度和光强发生变化时，计算电压和电流的变化量，可以得到新条件下光伏电池的伏安特性：ΔV＝-β(T-Tref)-RsΔI(4)ΔI＝α(S/Sref)(T-Tref)+(S/Sref-1)Isc(5)I＝Isc-C1Isc{exp[(V-ΔV)/C2Voc]-1}+ΔI(6)其中，T为温度，Tref为参考温度(25℃)，S为光强，Sref为参考光强(1000W/m2)，Rs为光伏电池内阻，α为参考光强下的电流温度系数，β为参考光强下的电压温度系数，对于硅材料的光伏电池，其实测值分别为α＝0.0012Isc(A本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于模糊逻辑控制的光伏电池MPPT仿真方法，其特征是：包括下列步骤：(一)模糊控制器的设计1)确定输入输出量及控制器的结构：选用双输入单输出的二维模糊控制器结构；参考扰动观察法的控制原理，以dP与dP/dV作为系统的模糊输入量，以步长变化值ds作为模糊输出量，通过判断两个输入量的状态，确定工作点的位置，迅速实现跟踪，具体控制规则为：1)当dP>0，dP/dV>0时，工作点在MPP左侧，靠近MPP；2)当dP>0，dP/dV<0时，工作点在MPP右侧，靠近MPP；3)当dP<0，dP/dV>0时，工作点在MPP左侧，远离MPP；4)当dP<0，dP/dV<0时，工作点在MPP右侧，远离MPP。以步长变化值ds作为模糊输出量，通过步长值的改变来调整电路占空比，使系统工作在MPP上；dP：功率变化值；dP/dV：功率变化率；2)确定输入输出量的模糊子集与论域：将模糊输入量和模糊输出量分割为7个模糊子集，通过模糊集合的形式表达出来，其中：dP＝{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}dP/dV＝{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}ds＝{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大的模糊概念；将dP和dP/dV的论域分别规定为[‑5,5]和[‑4,4]，将ds的论域规定为[‑5,5]；3)确定输入输出量的隶属度函数：隶属度函数是模糊集合的核心，它表达了论域中各个元素对于模糊集合的隶属度；在考虑模糊集合分布的时候，需要满足三个基本要求：1)论域上任意一个元素至少存在一个模糊子集对应；2)论域上任意一个元素不能同时是两个模糊子集的核；3)论域上任何一个元素不能只属于一个模糊子集；根据以上三个要求，设计出dP，dP/dV和ds的隶属度函数；为了保证系统可靠运行，将NB和PB选择为梯形隶属度函数，其余模糊子集选择性能较好、计算方便的三角形隶属度函数；在远离原点的地方，曲线较缓，分辨率较低，便于提高跟踪速度；在靠近原点的地方，曲线较陡，分辨率较高，便于提高跟踪精度；4)确定模糊控制规则模糊控制规则是模糊控制器的核心；根据功率和占空比之间的关系，并考虑外界环境因素的影响，得出如下几条设计原则：1)如果输出功率增加，则向原方向调整步长，反之，则向反方向调整步长；2)为了取得更好的跟踪效果，在离MPP较远时，采用较大步长，提高跟踪速度，在离MPP较近时，采用较小步长，减小功率损失；3)当达到以MPP为中心的极小范围内时，系统稳定下来，当外界环境再次发生变化时，系统可以迅速响应，再次寻优；根据以上设计原则，使用IF A AND B THEN C的模糊规则，建立模糊控制规则表，由MATLAB模糊控制编辑器得到的模糊控制规则视图；模糊控制规则表...

【技术特征摘要】
1.一种基于模糊逻辑控制的光伏电池MPPT仿真方法，其特征是：包括下列步骤：(一)模糊控制器的设计1)确定输入输出量及控制器的结构：选用双输入单输出的二维模糊控制器结构；参考扰动观察法的控制原理，以dP与dP/dV作为系统的模糊输入量，以步长变化值ds作为模糊输出量，通过判断两个输入量的状态，确定工作点的位置，迅速实现跟踪，具体控制规则为：1)当dP>0，dP/dV>0时，工作点在MPP左侧，靠近MPP；2)当dP>0，dP/dV<0时，工作点在MPP右侧，靠近MPP；3)当dP<0，dP/dV>0时，工作点在MPP左侧，远离MPP；4)当dP<0，dP/dV<0时，工作点在MPP右侧，远离MPP。以步长变化值ds作为模糊输出量，通过步长值的改变来调整电路占空比，使系统工作在MPP上；dP：功率变化值；dP/dV：功率变化率；2)确定输入输出量的模糊子集与论域：将模糊输入量和模糊输出量分割为7个模糊子集，通过模糊集合的形式表达出来，其中：dP＝{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}dP/dV＝{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}ds＝{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大的模糊概念；将dP和dP/dV的论域分别规定为[-5,5]和[-4,4]，将ds的论域规定为[-5,5]；3)确定输入输出量的隶属度函数：隶属度函数是模糊集合的核心，它表达了论域中各个元素对于模糊集合的隶属度；在考虑模糊集合分布的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨奕，杨元培，王建山，张桂红，顾海勤，李俊红，吴松周，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32