基于Fuzzy－PID控制的光伏發(fā)電充電過程研究

侯樹文，王 強(qiáng)，梁章鋒，李 鵬

(華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450011)

基于Fuzzy－PID控制的光伏發(fā)電充電過程研究

侯樹文，王 強(qiáng)，梁章鋒，李 鵬

(華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450011)

提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的利用率，需要對光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池進(jìn)行優(yōu)化控制.通過對光伏電池特性和模糊規(guī)則的研究，建立了Fuzzy－PID控制的仿真模型，設(shè)計(jì)了一種基于Fuzzy－PID控制的蓄電池充電控制的方法.最后，結(jié)合不同的負(fù)載模型，驗(yàn)證了Fuzzy－PID控制的正確性與有效性.

光伏發(fā)電;Fuzzy－PID;充電控制器;模糊控制

風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源的開發(fā)利用正迅速發(fā)展［1］，光伏發(fā)電作為新能源和可再生能源的重要組成部分，在可再生能源領(lǐng)域占有重要地位.蓄電池作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能元件，對光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行起著重要作用.因此，建立有效的蓄電池充電控制方式，可延長蓄電池的使用壽命，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全.由于光伏電池的輸出特性為非線性曲線，為了能夠充分利用太陽能，給光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池充電過程設(shè)計(jì)一種高效、合理的充電控制器是十分必要的.傳統(tǒng)PID控制在波動(dòng)較大時(shí)，不能很好地對被控對象進(jìn)行跟蹤.模糊控制不依賴于系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，特別適用于復(fù)雜系統(tǒng).筆者給出了一種基于模糊控制的充電方法.

1 光伏電池的電學(xué)特性

1.1 光伏電池的等效電路

等效電路是描述光伏電池特性的一種方法.當(dāng)受到照射的光伏電池外接負(fù)載時(shí)，光生電流流經(jīng)負(fù)載，并在負(fù)載兩端建立端電壓，這時(shí)的光伏電池工作情況可以用圖1所示的等效電路來描述.

光伏電池可以近似地看成是由4個(gè)元件和電流通路組成的等效電路:①穩(wěn)定地產(chǎn)生光電流Iph的電流源;②與電流源并聯(lián)且處于正偏壓下的二極管;③一個(gè)并聯(lián)電阻Rsh;④串聯(lián)電阻Rs.實(shí)際的光伏電池，應(yīng)看成由很多個(gè)具有這種等效電路結(jié)構(gòu)的電池單元并聯(lián)而成［2］.

圖1 光伏電池等效電路

1.2 光伏電池的最大功率點(diǎn)

光伏電池的伏安特性曲線如圖2所示［3］.在一定的太陽輻照度和工作溫度下，伏安特性曲線上任何一點(diǎn)都是一個(gè)工作點(diǎn)，工作點(diǎn)和原點(diǎn)的連線稱為負(fù)載線，負(fù)載線斜率的倒數(shù)即為負(fù)載電阻RL的值.調(diào)節(jié)負(fù)載電阻RM時(shí)，在曲線上得到一點(diǎn)M，對應(yīng)的工作電流為IM和工作電壓UM的乘積為最大，即

PM=IMUM=Pmax，

則稱M點(diǎn)為該太陽能電池的最大功率點(diǎn).

圖2 光伏電池的伏安特性曲線

也可以通過伏安特性曲線上的某個(gè)工作點(diǎn)，作一水平線和垂直線，這2條線與橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)所圍成的矩形面積，在數(shù)值上就等于輸出功率.不同的工作點(diǎn)輸出功率不一樣，總可以找到一個(gè)工作點(diǎn)，使其包圍的矩形面積最大，也就是工作電壓U和工作電流I乘積最大，該點(diǎn)即為最大功率點(diǎn).

2 模糊控制器設(shè)計(jì)

通過對光伏電池電學(xué)特性的研究，可知光伏電池的輸出、蓄電池充電電流與蓄電池電壓之間難以用精確的數(shù)學(xué)模型描述.這里給出一種基于模糊控制的充電方法.通過采用Fuzzy－PID控制方式，利用模糊控制的特點(diǎn)，能夠很好地跟蹤光伏電池的輸出曲線，從而保證蓄電池的充電效果.

2.1 Fuzzy－PID 控制算法

Fuzzy－PID控制的充電過程如圖3所示.利用Fuzzy－PID控制的充電過程，使光伏電池受到光照產(chǎn)生電能，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換，使其換成適合的電壓對蓄電池進(jìn)行充電.其中對于DC/DC電壓控制采用Fuzzy－PID控制的方式.將DC/DC變換后的輸出值反饋后，與給定值r(t)比較，對差值進(jìn)行模糊化運(yùn)算，得出相應(yīng)的控制信號，從而調(diào)整DC/DC電路的輸出，保證了蓄電池充電電壓的穩(wěn)定.

圖3 Fuzzy－PID控制的充電過程

2.2 模糊控制規(guī)則的建立

模糊控制器以模糊推理規(guī)則為系統(tǒng)核心，任何一條控制規(guī)則均具有設(shè)定功能的一種調(diào)節(jié)裝置［4］.模糊控制器最常用的結(jié)構(gòu)為二維模糊控制器，輸入變量一般取誤差e和誤差變化ec，輸出則為控制量的增量.這種結(jié)構(gòu)的模糊控制器，常采用Mamdani控制規(guī)則，誤差、誤差變化及控制量增量均取7個(gè)語言值:NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB.模糊規(guī)則的建立原則是:當(dāng)誤差較大時(shí)，控制量應(yīng)盡力使誤差迅速減少.當(dāng)誤差較小時(shí)，除了要消除誤差外，還要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的超調(diào)，甚至振蕩［5］.

根據(jù)不同e和ec對PID參數(shù)的要求以及PID參數(shù)的控制作用，給出Kp，Ki和Kd的整定原則.Kp，Ki和Kd的模糊控制規(guī)則分別見表1—3.Kp的作用是快速調(diào)節(jié)誤差;Ki的作用是使系統(tǒng)盡可能快地回到穩(wěn)定值，提高它的精度;Kd的選取一般根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)選取，若誤差很大時(shí)，Kd應(yīng)取中等大小;反之，Kd應(yīng)取較小值;若誤差為0，Kd也應(yīng)該取0.

表1 Kp的模糊控制規(guī)則

表2 Ki的模糊控制規(guī)則

表3 Kd的模糊控制規(guī)則

3 充電過程的控制系統(tǒng)仿真

采用MATLAB/Simulink對Fuzzy－PID控制進(jìn)行仿真，其中蓄電池的特性相當(dāng)于大電容與電阻串聯(lián)，充電裝置的輸出串入一等效電感［6］.把整個(gè)系統(tǒng)的被控對象看成是一個(gè)弱二階環(huán)節(jié).考慮到充電過程的非線性，構(gòu)造出3個(gè)模型來表示.被控對象的傳遞函數(shù)如下:

仿真系統(tǒng)如圖4所示.在不同的控制對象下，仿真曲線如圖5所示.

圖4 Fuzzy－PID控制的仿真系統(tǒng)圖

圖5 光伏電池充電過程跟蹤曲線

根據(jù)光伏電池充電過程跟蹤曲線，模糊控制器在3種對象下經(jīng)過短暫波動(dòng)均可趨于穩(wěn)定，具有良好的跟蹤特性，能夠滿足充電過程非線性化的要求.

4 結(jié)語

根據(jù)光伏發(fā)電的特點(diǎn)，將Fuzzy－PID控制應(yīng)用到光伏發(fā)電的蓄電池充電過程.該方法在常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，采用模糊控制思想，根據(jù)不同的e

和ec，對PID參數(shù)進(jìn)行整定.在外界環(huán)境變化的情況下，可保證光伏電池功率快速跟蹤光伏電池的最大功率點(diǎn)，有較強(qiáng)的外界環(huán)境適應(yīng)性，并具有較好的控制精度和穩(wěn)定性.仿真結(jié)果表明，F(xiàn)uzzy－PID控制具有良好性能，能夠滿足光伏發(fā)電對蓄電池充電的要求.

［1］朱成章.電力工業(yè)的儲(chǔ)能時(shí)代［J］.中外能源，2010，15(12):7－10.

［2］施鈺川.太陽能原理與技術(shù)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2009.

［3］楊金煥，于化叢，葛亮.太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［4］諸靜.模糊控制原理與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

［5］趙鍵.基于智能控制技術(shù)的鉛酸蓄電池充電設(shè)備的研究［D］.江蘇:南京理工大學(xué)，2008.

［6］于浩洋，初紅霞，王希鳳，等.MATLAB實(shí)用教程——控制系統(tǒng)仿真與應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

Research of Photovoltaic Charging Process Based on Fuzzy-PID Control

HOU Shu-wen，WANG Qiang，LIANG Zhang-feng，LI Peng
(North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

To improve the utilization of photovoltaic generation system，the storage batteries in the photovoltaic generation system need to be optimized control.By studying on photovoltaic battery characteristics and fuzzy rules，the simulation model of the Fuzzy-PID control was established and a battery charging control method based on Fuzzy-PID control was presented.Finally，the correctness and validity of the Fuzzy-PID control were verified by combining different load models.

photovoltaic;Fuzzy-PID;charging controller;fuzzy control

1002－5634(2011)05－0074－03

2011－06－24

侯樹文(1953—)，男，河北唐山人，副教授，主要從事電力系統(tǒng)智能控制方面的研究.

(責(zé)任編輯:蔡洪濤)