基于電流反饋模糊控制算法的光伏模擬器研究

孟志強(qiáng) 邵武 周華安 蘇爍

摘要：設(shè)計(jì)與研究了一種基于BUCK直流變換器和電流反饋模糊控制算法的光伏電池陣列模擬器.該模擬器實(shí)時(shí)采集BUCK變換器輸出電壓并代入光伏電池工程數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出電池電流作為模糊控制器的輸入?yún)⒖茧娏?該參考電流與BUCK變換器輸出電流的差值及差值變化量作為模糊控制器的2個(gè)輸入.模糊控制器通過模糊算法計(jì)算BUCK功率開關(guān)的導(dǎo)通占空比，使BUCK變換器的輸出電壓和電流準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)于光伏電池V-I特性曲線的期望工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)光伏特性模擬.模糊控制器使用三角形模糊隸屬度函數(shù)，輸入與輸出變量的論域規(guī)范為[-3，3]，模糊規(guī)則49條.Matlab/Simulink仿真模型與試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模糊控制模擬器不僅能準(zhǔn)確模擬光伏電池的靜態(tài)輸出特性，還能快速跟蹤工作點(diǎn)變化或外部環(huán)境變化的光伏電池特性，超調(diào)量小于3.5%，穩(wěn)態(tài)誤差小于3.6%，紋波系數(shù)小于3%，跟蹤時(shí)間約為0.3 s，能夠?yàn)楣夥l(fā)電系統(tǒng)的研究與開發(fā)提供優(yōu)良的光伏陣列實(shí)驗(yàn)設(shè)備.

關(guān)鍵詞：光伏陣列；模擬器；模糊控制；反饋；V-I特性曲線；BUCK直流變換器

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-2974（2016）02-0092-09

光伏模擬器能夠準(zhǔn)確模擬任意光照和環(huán)境溫度條件下光伏電池及其陣列的輸出特性，且不受環(huán)境因素的影響.因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究中被廣泛用來替代光伏電池及陣列，以保證研發(fā)進(jìn)度，降低研發(fā)成本，提高研發(fā)效率和保障結(jié)果的可信性[1-3].

目前光伏陣列模擬器的研究主要集中在以下3個(gè)方面：1）光伏電池工程數(shù)學(xué)模型，包括傳統(tǒng)指數(shù)模型和平拋運(yùn)動(dòng)模型等[4-8]；2）主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用不同的DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)光伏陣列模擬 [9-11]；3）模擬器算法，傳統(tǒng)模擬器算法主要有逐點(diǎn)逼近法、弦截法、迭代法和四折線法等[12-15].本文提出一種電流反饋模糊控制模擬器.該模擬器綜合利用專家經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化有較強(qiáng)的魯棒性 ，在光伏模擬器這種非線性系統(tǒng)中具有良好的控制效果，能夠極大地彌補(bǔ)傳統(tǒng)控制方法的不足[16-18].

模糊控制光伏模擬器主電路采用BUCK變換器，控制器為TMS320F2812，模糊控制生成BUCK主電路的PWM控制量，使變換器的輸出工作點(diǎn)位于光伏電池V-I曲線上，實(shí)現(xiàn)光伏模擬.Matlab/Simulink仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性好，模擬器能夠快速穩(wěn)定地追蹤參考工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)各種條件下完整V-I特性曲線的模擬，且超調(diào)量小于3.5%，穩(wěn)態(tài)誤差小于3.6%，紋波系數(shù)小于3%，跟蹤時(shí)間小于0.3 s.

1光伏電池輸出特性及工程數(shù)學(xué)模型

1.1光伏電池輸出特性

光伏電池模擬器的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電池輸出V-I特性曲線的模擬.光伏電池輸出特性具有非線性，受光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的影響大，如圖1所示.當(dāng)光照強(qiáng)度S一定、環(huán)境溫度T升高時(shí)，輸出電流I增大，輸出電壓V下降；當(dāng)環(huán)境溫度T一定、光照強(qiáng)度S升高時(shí)，輸出電流I增大，輸出電壓V也增大.

4實(shí)驗(yàn)與分析

在圖6所示模糊控制模擬器仿真模型和圖5（b）所示模擬器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上，對(duì)不同環(huán)境條件下的模擬器性能進(jìn)行了驗(yàn)證.仿真模型由BUCK主電路、光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型、模糊控制器以及PWM發(fā)生器組成，圖6中的Stepi（i=1，2，3，4）模塊用來控制負(fù)載、光照和溫度的突變.

4.1仿真實(shí)驗(yàn)

仿真分為啟動(dòng)與工作點(diǎn)突變跟蹤、光照量突變跟蹤和溫度突變跟蹤3種情況.所有仿真均從光伏電池的短路電流開始.

4.1.1啟動(dòng)與工作點(diǎn)突變跟蹤

本實(shí)驗(yàn)研究標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下模擬器的啟動(dòng)性能和工作點(diǎn)突變跟蹤性能.圖7為初始工作點(diǎn)負(fù)載R=10 Ω時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)與t=0.2 s時(shí)R突變?yōu)?6 Ω的跟蹤仿真波形，圖8為初始工作點(diǎn)負(fù)載R=16 Ω時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)與t=0.2 s時(shí)R突變?yōu)?0 Ω的跟蹤仿真波形.其中，圖7（a）和圖8（a）的上圖均為負(fù)載電壓波形，下圖為負(fù)載電流波形；圖7（b）和圖8（b）均為對(duì)應(yīng)的負(fù)載電流和光伏電池理論電流波形.

由光伏電池的V-I特性曲線（圖2）可知，當(dāng)模擬器負(fù)載R小時(shí)，其輸出電壓小、電流大；反之，負(fù)載R大時(shí)，輸出電壓大、電流小.由模擬器工作原理和控制算法可知，基于電流反饋的模糊控制模擬器的動(dòng)態(tài)特性跟實(shí)際負(fù)載電流與目標(biāo)工作點(diǎn)電流的差值有關(guān)，差值越大調(diào)節(jié)時(shí)間越長(zhǎng).

圖7中的初始工作點(diǎn)負(fù)載比圖8中的小，系統(tǒng)啟動(dòng)跟蹤到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間約為0.07 s，圖8的時(shí)間約為0.05 s；在0.2 s時(shí)進(jìn)行工作點(diǎn)突變跟蹤，圖7的跟蹤時(shí)間約為0.04 s，圖8的跟蹤時(shí)間約為0.1 s；2種情況的穩(wěn)態(tài)誤差都約為0.8%，紋波系數(shù)約為0.6%.

4.1.2光照強(qiáng)度突變跟蹤

本實(shí)驗(yàn)研究環(huán)境溫度T=30 ℃，負(fù)載R=10 Ω條件下，光照強(qiáng)度S在0.2 s時(shí)從1 000 W/m2突變?yōu)?00 W/m2的模擬器跟蹤性能.仿真波形如圖9所示，圖9（a）上圖和下圖分別為負(fù)載電壓與電流波形，圖9（b）為對(duì)應(yīng)的負(fù)載電流和光伏電池理論電流波形.模擬器完成跟蹤的時(shí)間約為0.12 s，穩(wěn)態(tài)誤差和紋波系數(shù)分別為0.8%和0.6%.同時(shí)，從仿真結(jié)果可以清楚地看出，光照量下降對(duì)光伏電池V-I特性的影響：目標(biāo)工作點(diǎn)電壓和電流都會(huì)降低.

4.1.3溫度突變跟蹤

本實(shí)驗(yàn)研究光照強(qiáng)度S=1 000 W/m2，負(fù)載R=8 Ω條件下，環(huán)境溫度T在0.2 s時(shí)從70 ℃突變?yōu)?0 ℃的模擬器跟蹤性能.仿真波形如圖10所示，圖10（a）上圖與下圖分別為負(fù)載電壓與電流波形，圖10（b）為對(duì)應(yīng)的負(fù)載電流和光伏電池理論電流波形.模擬器完成跟蹤的時(shí)間約為0.08 s，穩(wěn)態(tài)誤差和紋波系數(shù)分別為1% 和0.6%.

從仿真結(jié)果還可以看出，在較小的負(fù)載（如R=8 Ω）條件下，環(huán)境溫度下降對(duì)光伏電池V-I特性的影響：目標(biāo)工作點(diǎn)電壓和電流都會(huì)降低；反之，若負(fù)載較大，目標(biāo)工作點(diǎn)電壓與電流都會(huì)升高.

4.2模糊算法與逐點(diǎn)逼近法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

在圖5所示的光伏模擬器系統(tǒng)中，分別用本文模糊算法和逐點(diǎn)逼近法對(duì)模擬器啟動(dòng)、工作點(diǎn)突變跟蹤、環(huán)境突變跟蹤進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)波形均由泰克DPO2012B雙蹤數(shù)字示波器采集，負(fù)載電流的采樣電阻為0.1 Ω.

4.2.1啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)光照強(qiáng)度S=1 100 W/m2，溫度T=30 ℃，負(fù)載R=10 Ω時(shí)，采用模糊算法與逐點(diǎn)逼近法的模擬器啟動(dòng)性能.實(shí)驗(yàn)波形分別如圖11（a）和圖11（b）所示.模糊算法啟動(dòng)跟蹤的時(shí)間約為0.2 s，穩(wěn)態(tài)誤差約為2%，紋波系數(shù)約為2.8%；逐點(diǎn)逼近法啟動(dòng)跟蹤的時(shí)間約為0.26 s，穩(wěn)態(tài)誤差約為3%，紋波系數(shù)約為3%.顯然，模糊算法的啟動(dòng)跟蹤速度快于逐點(diǎn)逼近法，穩(wěn)態(tài)誤差更小.

4.2.2工作點(diǎn)突變跟蹤實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)研究模擬器在光照強(qiáng)度S=1 100 W/m2，溫度T=30 ℃時(shí)，采用模糊算法與逐點(diǎn)逼近法的工作點(diǎn)突變跟蹤性能.圖12和圖13分別為模糊算法與逐點(diǎn)逼近法的實(shí)驗(yàn)波形，其中圖12（a）和圖13（a）均為負(fù)載R=8 Ω突變?yōu)镽=16 Ω的實(shí)驗(yàn)波形，圖12（b）和圖13（b）均為負(fù)載R=16 Ω突變?yōu)镽=8 Ω的實(shí)驗(yàn)波形.

由圖12和圖13可知，初始工作點(diǎn)不同，追蹤時(shí)間存在差異.圖12（a）的初始工作點(diǎn)負(fù)載比圖12（b）的小，跟蹤時(shí)間約為0.18 s，而圖12（b）的跟蹤時(shí)間約為0.32 s，穩(wěn)態(tài)誤差均為2.2%；圖13（a）的跟蹤時(shí)間約為0.2 s，而圖13（b）的跟蹤時(shí)間約為0.38 s，穩(wěn)態(tài)誤差均為2.6%.顯然，模糊算法的跟蹤速度明顯快于逐點(diǎn)逼近法，穩(wěn)態(tài)誤差更小.

4.2.3環(huán)境突變跟蹤實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)研究采用模糊算法和逐點(diǎn)逼近法的模擬器對(duì)環(huán)境突變的跟蹤性能.

圖14（a）和圖14（b）分別為模糊算法與逐點(diǎn)逼近法在環(huán)境溫度T=30 ℃，負(fù)載R=11 Ω條件下，光照強(qiáng)度從1 200 W/m2突變?yōu)?00 W/m2時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形.圖14（a）的跟蹤時(shí)間約為0.11 s，穩(wěn)態(tài)誤差約為2.2%；圖14（b）的跟蹤時(shí)間約為0.2 s，穩(wěn)態(tài)誤差約為3%.

圖15（a）和圖15（b）分別為模糊算法與逐點(diǎn)逼近法在光照強(qiáng)度S=1 100 W/m2，負(fù)載R=6 Ω條件下，溫度從30 ℃突變?yōu)?0 ℃時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形.圖15（a）的跟蹤時(shí)間約為0.12 s，穩(wěn)態(tài)誤差約為2.2%；圖15（b）的跟蹤時(shí)間約為0.3 s，穩(wěn)態(tài)誤差約為3.2%.

可見，模糊算法具有比逐點(diǎn)逼近法更快的跟蹤速度和更小的穩(wěn)態(tài)誤差.

4.3不同條件下模糊算法模擬器的完全V-I特性

實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)完成了3種不同環(huán)境條件：①S=1 100 W/m2，T=30 ℃；②S=800 W/m2，T=30 ℃；③S=900 W/m2，T=70 ℃時(shí)模糊控制模擬器對(duì)光伏電池V-I特性的模擬性能研究.

實(shí)驗(yàn)通過模糊控制算法調(diào)節(jié)BUCK電路主開關(guān)的導(dǎo)通占空比d，取流過負(fù)載電阻的電流和負(fù)載電阻的端電壓作為試驗(yàn)數(shù)據(jù).試驗(yàn)中，對(duì)每一種條件都取20～30組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)負(fù)載電阻位于[0，200 Ω]區(qū)間.將試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)注于相應(yīng)環(huán)境條件的光伏電池V-I理論曲線上，如圖16所示.由圖16可知，在3種不同環(huán)境條件下，模擬器均能很好地實(shí)現(xiàn)光伏V-I曲線模擬.圖中誤差的均方差可忽略不計(jì)，其絕對(duì)值可認(rèn)為是由模糊算法閾值、采樣電阻精度和模擬負(fù)載的滑線電阻發(fā)熱等因素產(chǎn)生的.

5結(jié)論

本文提出了一種電流反饋型光伏模擬器模糊控制算法，采用BUCK主電路和TMS320F2812控制芯片設(shè)計(jì)了模糊控制模擬器實(shí)驗(yàn)平臺(tái).該算法實(shí)時(shí)采集模擬器輸出電壓和電流，將輸出電壓代入光伏電池工程數(shù)學(xué)模型計(jì)算參考電流，參考電流與輸出電流比較，其差值及差值變化量作為模糊控制器的輸入，模糊控制器輸出用于產(chǎn)生BUCK開關(guān)的PWM控制信號(hào)，從而使模擬器輸出工作點(diǎn)逼近目標(biāo)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電池陣列輸出V-I特性的模擬.仿真實(shí)驗(yàn)和模擬器樣機(jī)的模糊算法與逐點(diǎn)逼近法對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電流反饋模糊控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)不同條件下光伏電池特性曲線的完全模擬，且模擬性能遠(yuǎn)優(yōu)于逐點(diǎn)逼近法，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快和模擬精度高等特點(diǎn)，在光伏電池陣列模擬器系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究與開發(fā)中具有極大的實(shí)用價(jià)值.

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