（信号与信息处理专业论文）基于自适应变步长光伏自动跟踪系统.pdf

南京信息工程大学硕士论文 摘要 能源已成为世界经济发展的关键问题，太阳能以其独特的特点可再生和无污染， 倍受人们关注。当前对于太阳能发电最大功率点跟踪( m p p t ) 的研究已涉及到许多的方 向，其中有关于单轴跟踪、双轴跟踪等方式的理论分析和讨论，也有关于n i p p t 算法的研 究。比较典型的有恒定电压法( c v t ) 可以近似实现光伏阵列的最大功率输出，且控制简 单，可靠性高，稳定性好，然而这种方法精度差受气候变化影响比较大：扰动观察法 ( p & o ) 通过周期性地改变负载来改变系统的输出功率，虽然可以通过减小扰动幅度来减 小能量损失，但将影响系统跟踪速度：增量电导法( i n c c o n d ) 理论上能避免扰动观察法输 出功率反复振荡的缺点，并使阵列稳定运行于最大功率点处，其缺点是算法过于复杂，对 于实现该算法的硬件质量要求增高，延时较长，会造成不必要的功率损耗等，以上各种 m p p t 算法从不同角度出发，努力提高光伏发电的功率【l 】【2 】。 本文在分析了太阳能光伏阵列工作特性和在现有最大功率跟踪控制方法的基础上，提 出了一种新快速高效简易的光伏m p p t 模糊控制算法一变步长扰动观察法。这种m p p t 技术以白适应控制理论为基础，结合扰动观察法进行最大功率点跟踪，从偏差和偏差变化 率的角度，将寻优分为二个阶段，第一阶段应用扰动观察法并设置较大步长快速接近最大 功率点附近，第二阶段采用变步长的方法向最大功率点进一步逼近并至最佳，实现了光伏 系统快速和高精度的跟踪要求，系统中引入了工作状态的判断环节，可以根据环境的变 化，做出相应的反应，提高了系统的快速跟踪性能和稳定性。 在光伏跟踪系统设计的硬件方面，采用了m s p 4 3 0 超低功耗1 6 位单片机作为系统的控 制和信息处理平台。利用光敏传感器和电压、电流传感器作为测试端，利用m s p 4 3 0 内嵌 的1 2 位a d 转换器把模拟信号转变为数字信号。本系统的太阳能硬件平台以单轴设计进 行方向控制，并以t l 4 9 4 组成了光伏系统逆变器控制电路。 通过试验和仿真验证了其可以快速和精确的对太阳能电池阵列最大功率点进行跟踪。 关键词：光伏阵列，模糊控制，m p p t ，变步长扰动观察法 南京信息工程大学硕士论文 a b s t r a c t s e n e r g yh a sb e c o m et h ek e yp r o b l e m sf o rt h ed e v e l o p m e n to f t h ew o r l de c o n o m y ， s o l a re n e r g yh a sb e e nc o n c e m e db ym a n yp e o p l e 、加t l li t su n i q u ec h a r a c t e r i s t i c so f r e n e w a b l ea n dn op o l l u t i o n c u r r e n t l y ，m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ( m p p t ) r e s e a r c hi ns o l a re n e r g yh a sb e e ni n v o l v e di nm a n ya s p e c t s ，s u c ha st h et h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no ft h eo n e a x e st r a c k i n g ，d o u b l e - a x e st r a c k i n gm e t h o d sa n d a l s ot h em p p t a l g o r i t h m t h ec o n s t a n tv o l t a g em e t h o d ( c v t ) i s at y p i c a l l ym e t h o d s w h i c hc a nr e a l i z et h ea p p r o x i m a t em a x i m u mp o w e ro u t p u to ft h es o l a ra r r a ya n di ti s s i m p l ec o n t r o l ，h i g hr e l i a b i l i t ya n dg o o ds t a b i l i t y ，b u t t h i sm e t h o dh a v eap o o r p r e c i s i o na n dc h a n g em u c h 州t ht h ec l i m a t e d i s t u r b a n c eo b s e r v a t i o nm e t h o d s ( p & o ) c o n t r o lt h es y s t e mo u t p u tp o w e rb yc h a n g i n gt h es y s t e ml o a dp e r i o d i c a l ，a l t h o u g hi t c a nr e d u c et h ee n e r g yl o s s e sb yr e d u c i n gt h ed i s t u r b a n c ea m p l i t u d e ，b u ti tw i l la f f e c t t h es y s t e mt r a c k i n gs p e e d i nt h e o r y ，i n c r e m e n t a lc o n d u c t a n c em e t h o d ( i n c c o n d ) c a n a v o i dt h ed e t e c to ft h e r e p e a t e d o s c i l l a t i o no u t p u tp o w e ro ft h ed i s t u r b a n c e o b s e r v a t i o nm e t h o d ，a n dm a k et h ea r r a yo p e r a t ea tt h em a x i m u mp o w e rp o i n ts t a b l y i t sd e f e c ti st h ea l g o r i t h m sa r et o oc o m p l e x ，t oa c h i e v et h i sa l g o r i t h m ，t h eh a r d w a r e q u a l i t yr e q u i r e m e n t sf o ral o n gt i m ed e l a y ，w i l lc a u s eu n n e c e s s a r yp o w e rl o s s t h e d i f f e r e n tm p p ta l g o r i t h m st r yt oi m p r o v et h ep h o t o v o l t a i c ( p v ) p o w e rf r o mt h e d i f f e r e n ta s p e c t s b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fs o l a rp h o t o v o l t a i ca r r a ya n dt h e c u r r e n tm a x i m u mp o w e rt r a c k i n gm e t h o d ，a l la l g o r i t h mo ft h em a x i m u mp o w e rp o i n t t r a c k i n g ( m p p t ) w h i c ht r a c k i n g t h em a x i m u mp o w e rp o i n tb a s e do nt h es e l f - a d a p t i v ev a r i a b l es t e p s i z ei sp r o p o s e d t h em e t h o di sd i v i d e di n t ot w os t a g e s ，t h e f i r s ts t e pi st oa p p l yp e r t u r ba n do b s e r v ef p & o ) a r i t h m e t i cw h i c hs e tu pal a r g e rs t e p - s i z ea n dg e tc l o s et ot h em a x i m u mp o w e rp o i n ta sf a s ta sp o s s i b l e o nt h i sb a s i s ，t h e s e c o n ds t e pi st ou t i l i z et h ev a r i a b l es t e p s i z et ob ec l o s e rt ot h em a x i m u mp o w e r p o i n ta sp r e c i s ea sp o s s i b l ea n dg e tt ot h eb e s t t h ew h o l em e e t st ot h et r a c k i n g i i 南京信息工程大学硕士论文 r e q u i r e m e n t so fp vp o w e rs y s t e mi nt h er a p i da n dh i g h p r e c i s i o nw a y ，a n di m p r o v e s t h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yf o rt h es y s t e ma tt h es a m et i m e i nt h es o l a rs y s t e m ，h a r d w a r ed e s i g nf o l l o w e dt h i s d e s i g nu s i n gm s p 4 3 0 m i c r o c o n t r o l l e r 嬲16u l t r a - l o wp o w e rs y s t e mc o n t r o la n di n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g p l a t f o r m u s i n gt h ep h o t o s e n s i t i v es e n s o ra n dv o l t a g e ，c u r r e n ts e n s o ra st h et e s tp o i n t a n dm s p 4 3 0n e s t e d12a dc o n v e n e rm a k et h ea n a l o gs i g n a l si n t od i g i t a ls i g n a l s t h es o l a rs y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r mc o n t r o l st h ed i r e c t i o nw i t hu n e a s i l yd e s i g na n d f o r m e dp h o t o v o l t a i cs y s t e m si n v e r t e rc o n t r o lc i r c u i t o nt l 4 9 4 t h r o u g ht h ee x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o n ，i tv e r i f i e st l l a ti tc a nt r a c kt h em a x i m u m p o w e rp o i n to ft h es o l a ra r r a yq u i c k l ya n da c c u r a t e l y k e y w o r d s ：p h o t o v o l t a i ca r r a y ，f u z z yc o n t r o l ，m p p t ，v a r i a b l ed i s t u r b a n c e o b s e r v a t i o n i i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以“求实、创新 的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他入或其它机构已经 发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢 意。 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定， 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子 皈和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进 入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检 索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后 适用本规定。 作者签名： 日期： 暖 ) 声一、 ，i 口并5x27 公 南京信息工程大学硕士论文 1 1 概述 第一章绪论 能源是人类社会生存和发展的动力源泉。然而，随着人类文明的发展日益迅速，人类 对能源的需求也日益增加。太阳是个巨大的能源。地球上绝大部分能源归根究底是来自太 阳。煤炭、石油都是古时候由动物或植物存储下来的太阳能。太阳每秒钟发出的能量有 3 8 6 5 x 1 0 2 6 j ，相当于每秒钟燃烧1 3 2 1 0 1 6 t 标准煤所发出的能量。太阳是以辐射的方向四 周传播它的能量的。太阳发出的能量中约有2 2 亿分之一到达了地球，约1 7 3 x 1 0 1 4 k w 。 这些能量经过地球大气层的吸收与反射，最终到达地球表面的约有8 1 1 0 ”k w 。全世界 人们一年所用的各种能量之和也只有到达地球表面的太阳能的数万分之一，太阳能的利用 潜力是十分巨大的。 太阳辐射能的强度用太阳常数表示。在地球大气层的上界，在平均日地距离时，在垂 直于太阳光的方向上，在单位时间和单位面积内，太阳辐射能有一个比较恒定的数值，这 个数值就叫太阳常数，它的值大约是1 3 6 7 士7 形删2 。太阳辐射能与煤炭、石油、核能相 比较，有如下的优点： l 、太阳辐射的普遍性、广泛性 太阳能资源普遍，太阳能无处不有，应用范围广，不需要到处去寻找和运输，基本不 受地域限制。这对于山区、沙漠、海岛等交通不便及偏远地区更显示出它的优越性，人们 只要一次投资建设好发电设备后，平时的维修费用远比其它能源小。 2 、太阳能的清洁性、无污染性 化石能源( 煤炭、石油) 在燃烧时会放出大量的各种气体，核燃料工作时要排出放射 性废料，它们都会使环境受到污染。利用太阳能作为能源，没有废渣，废料，废气，废水 的排放，没有声，不会污染环境，没有公害，因此太阳能被称为清洁能源。 3 太阳能的长久性、可靠性。 只要有太阳，就有太阳能，太阳能发电可靠性高，寿命长，并且应用范围广。 4 太阳能的巨大性。 太阳能可谓是取之不尽、用之不竭的能源，一年内到达地面的太阳辐射能总量要比现 在地球上消耗的各种能量的总和大几万倍。 南京信息工程大学硕士论文 5 、太阳能的分散性 太阳辐射尽管遍及全球，但每单位面积上的入射功率却很小，因此要得到较大的功 率，就需要庞大的受光面积 如1 0 0 0 0 k w 光发电装置，受光照面积需( 1 0 0 0 0 0 m 2 ) ，对于 大功率发电，涉及到设备的材料、结构、占用土地等费用问题，目前投资要比其它能源高 很多。 6 、太阳能的间歇性 太阳的高度角一天内及一年内都在不断变化，且与地面的纬度有关，再加上气候的变 化( 如阴雨天日照更少) ，因此太阳能的可用能量是不稳定的。利用太阳能发电时，必须 备有相当容量的储能设备。 太阳能的应用在近期发展迅速，太阳能应用包括太阳能发电和太阳能热利用。太阳能 发电又分为光伏发电，光化学发电，光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用太阳能电 池这种半导体器件吸收太阳光辐射能，使之转化成电能的直接发电形式，光伏发电是当今 太阳能发电的主流。但由于光伏系统效率低、成本高等问题的客观存在，仍然是制约光伏 发电普及的一个主要因素。因此国内外众多学者均致力于有关提高光伏系统效率的研究， 其中关于光伏系统最大功率点跟踪以及蓄电池管理的研究是两个重要内容。 1 2 课题发展背景与现状 1 2 1 国外光伏发电的现状及发展前景【2 0 】 太阳能光伏发电是可再生能源和新能源的重要组成部分，在长期的能源战略中，太阳 能光伏发电占有极其重要的地位。近年来，世界各国特别是发达国家对于光伏发电技术非 常重视，投入巨额资金进行研究和开发，使太阳能光伏发电技术在许多方面取得突破。在 太阳能电池性能和可靠性有了很大提高，成本和售价不断下降，有经济效益的应用范围不 断扩大，市场迅速发展，产业已达到规模化、自动化阶段。光伏发电的竞争力越来越强。 预计不久就可以成为火力发电的主要竞争者，前景十分广阔。近几年全球光伏组件的年均 增长率高达3 0 ，光伏产业成为全球发展最快的新兴行业之一 全球光伏发电产业的发展状况： 世界光伏产业从1 9 9 7 年到2 0 0 1 年，5 年的平均增长率达3 5 5 ，2 0 0 4 年世界光伏电 池组件的生产量达到11 9 4 w m ，比2 0 0 3 年增长了6 0 4 6 。2 0 0 5 年全球安装太阳电池组件 1 4 6 0 1 唧。到2 0 0 5 年年末，全球累计安装太阳电池组件容量比前一年增长了3 9 ，达到了 5 g w 。2 0 0 7 年，全球光伏装机总量达到2 3 g w ，年增速超过4 0 ；2 0 1 0 年全球光伏发电 2 南京信息工程大学硕士论文 并网装机容量达到1 5 g w 。根据日木新能源计划、欧盟可再生能源白皮书、美国光伏计划 等推算，可以得到表1 1 所示未来几年世界光伏的发展趋势未来数年光伏行业的复合增长 率将高达3 0 以上；至2 0 3 0 年，全球光伏发电装机容量将达到3 0 0 g w ( 届时整个产业的 产值有可能突破3 0 0 0 亿美元) ；至2 0 4 0 年，光伏发电将达到全球发电总量的1 5 一2 0 2 0 0 5 年 2 0 1 0 矩 2 0 2 0 年 2 0 3 0 年 欧洲2 13 04 1 2 0 0 日本 1 54 83 02 0 5 美国1 02 13 62 0 0 世界 5 4 51 51 2 53 0 0 表i i 欧洲、日本和美国制定的光伏发展计划( c w ) t a b 1 1p h o t o v o l t a i cd e v e l o p m e n tp l a no fe u r o p e j a p a na n dt h eu n i t e ds t a t e s ( g w ) 参考于 o 在最大功率点尸麟右边时雾 o 由此表明当太阳能电池阵列工作在最大功率点的条件是：输出电导的变化量等于输出 电导的负值。若不相等，则要判断雾是大于零还是小于零。图3 7 所示为电导增量法的 示意图。 图3 7 电导增量法示意图 f i g u r e 3 7s c h e m a t i cd i a g r a mf o ri n c r e m e n t a lc o n d u c t a n c ea l g o r i t h m 电导增量法的控制流程图如图3 8 所示。图中v 哔) 和i ( k ) 分别为检测到的当前太阳能 电池阵列电压值和电流值，v ( k 1 ) 和i ( k - 1 ) 分别为上一控制周期太阳能电池阵列电压值和 电流值。 2 0 南京信息工程大学硕士论文 图3 8 电导增量法的控制流程图 上式中，讲表示改变前后测量到的电流差值，d y 表示改变前后测量到的电压差 a 1l 值。因此，通过比较熹和太阳电池的瞬间电导值圭，就可以决定下一次的变动，当二 d yy 者满足式( 3 屯) 要求时，表示己经达到最大功率点，就不再进行下一次扰动，这就是电 导增量法的基本工作原理。虽然电导增量法仍然是以改变太阳电池的输出来达到最大功率 点的，但是逻辑判断的方式已经发生了变化，将会减少振荡，从而更能适应瞬息万变的环 境。理论上而言，电导增量法是非常完美的，能够精确地跟踪到最大功率点，但是忽略了 一个重要的问题，那就是测量仪器的精度问题，它对测量仪器的精度要求近乎苛刻，但我 们知道，误差是在所难免的，因此式( 3 _ 2 ) 发生的几率是极其微小的，也就是说，这种 2 1 南京信息工程大学硕士论文 方法同样会有比较大的误差。由此可见扰动观察法和电导增量法可以说是殊途同归，仅在 逻辑判断和测量参数上有所差别而己。 3 1 4 梯度法 最优梯度法是一种以阵列的p v 特性曲线为基础的多维无约束最优化问题的数值 计算法。它的基本思想是选取阵列输出功率作为目标函数的正梯度方向，作为每步迭代的 搜索方向，逐步逼近功率函数的最大值。此方法可以在p v 特性曲线的全域内进行最 大功率跟踪，但需要反复的进行叠代计算，并且计算公式复杂。 3 1 5 间歇扫描法 间歇扫描法实现m p p t 的核心思想是定时扫描一段阵列电压( 例如为0 5 0 9 倍的开路 电压圪。) ，同时记录下不同电压时对应的光伏阵列电流值，经过比较不同点的太阳电池阵 列的输出功率就可以方便地计算出最大功率点，从而取代了不间断的搜索过程。 间歇扫描方法测定最大功率点所需要的时间随着微处理器性能的不同而有所变化，而 定时扫描的时间间隔可以放宽至秒级。通过扫描可以快速近似计算出在该日照及温度条件 下的最大功率点及其相应的电压值，并将此电压值作为c v t 内环的给定电压值，通过闭 环c v t 控制，使光伏阵列工作于该点上。这种方法稳定且可靠，同时避免了其它各种跟 踪方法由于搜索振荡而引起的功率损失。在太阳能电池阵列容易产生遮挡的应用中，这种 m p p t 方案具有较高的实用价值。这种方案的最大缺点是在需要有连续输出的光伏系统中 无法应用，如光伏水泵、不可调度式光伏并网系统；同时该方法需要c p u 具有较大的存 储空间和较快的运算能力，并且不能及时同步跟踪阵列输出，在日照变化比较剧烈的情况 下，此方法很难使阵列时刻工作于最大功率点处。 3 2 本章小结 由于光伏阵列的输出电压受外界影响很大，特别是温度变化影响最大。理论分析和实 地运行数据均表明：当环境温度从。2 0 变化- n + 4 0 时，其最大功率点处电压的偏移 圪。( 光伏阵列开路电压) 的值可达3 0 ，甚至更多。在这种情况下采用c v t 电压闭环控 制方式以实现光伏阵列的m p p t 跟踪，光伏阵列输出功率的损失将会超过2 0 ，甚至更 高。而本文所设计的最大功率点跟踪方法不论在何种日照及温度条件下，光伏阵列始终工 南京信息工程大学硕士论文 作在最大功率点处，并且由于是动态跟踪，因此可以很方便地结合蓄电池的特性曲线实现 蓄电池的优化管理，在实现系统最大功率点跟踪的同时，延长蓄电池的使用寿命。 本章节针对光伏发电系统最大功率点跟踪的技术方法，首先分析和研究了目前广泛使 用的各种自寻优及非自寻优算法，并从算法原理角度出发总结出了3 种基本自寻优算法即 扰动观察法、恒定电压法及增量导纳法。其次，在应用m a t l a b 的仿真环境中对同一条 件下( 包括辐照度、温度、负荷) 的3 种基本算法的追踪效果进行了详细的仿真比较和分析， 总结了3 种算法的特点及适用范围。 2 3 南京信息工程大学硕士论文 第四章基于自适应的变步长m p p t 自动跟踪系统的设计 方法及实现过程 4 1 太阳电池的最大功率点跟踪( m p p t ) 上面分析了多种m p p t 最大功率点跟踪控制的方法，有的是使太阳电池阵列近似工作 在最大功率点处，但适应环境能力差；有的从理论上来说可以使太阳电池工作在最大功率 点处，但限于设备精度以及算法复杂度，并不能真正工作在最大功率点处。如何找到并跟 踪最大功率点是整个系统设计的关键，本系统通过对光伏阵列特性的分析，利用光伏阵列 的 矿和尸y 特性，在监测系统输出u 和输出，的基础上，通过控制负载从而控制输出电 压，跟踪最大功率点并保持，进而达到控制输出功率的目的嗍【5 】【1 0 】。 在光伏发电的过程中，太阳的日照，环境温度等变化量是光伏阵列输出功率的决定因 素。由于天气环境的未知性很大，通常最大功率点尸麟是无法预知的，为了能够更加有 效的实现光伏发电，本文提出了一种新的m p p t 控制技术，这种m p p t 技术参考自适应模 糊控制理论的思想，结合扰动观察法从而跟踪太阳电池阵列的最大功率点尸麟，经分析 和比较本算法可以快速对太阳能电池阵列的最大功率点进行跟踪。【2 6 】 4 2m p p t 的自适应控制技术 自适应控制理论是在控制工程中提出的。在复杂的控制过程中，控制的目的都是使受 控对象的状态或运动轨迹符合预定的要求，在一些参数或模型比较清晰的系统中，我们可 以根据参考模型或性能参数来进行控制，但随着近代工业的发展，人们需要控制的过程越 来越多，而且这些对象是未知的或是知之甚少的，在这种情况下，传统的控制理论就失去 作用，但自适应控制理论却可以非常理想地解决这些问题。 4 2 1 1 4 3 】 自适应控制系统包括以下几种：自校正控制系统、模型参考自适应控制系统、自寻最 优控制系统、变结构控制系统、学习控制系统等，虽然自适应理论起步较晚，但在控制过 程中已经体现出其独有的优越性，已经被应用在各种场合，均取得理想的效果。 如前面所述，扰动观察法可以自动搜索圪，但存在扰动输出、跟踪速度和跟踪精度 等问题的存在。针对这个题，根据最大功率跟踪的要求，本文将利用现代单片机丰富的片 2 4 南京信息工程大学硕士论文 上资源，再根据自适应理论中的自寻优控制的思想，提出一种改进方法一基于自适应模 糊控制的变步长光伏自动跟踪系统。系统控制原理框图如图4 1 所示。 图4 1 基于自适应的变步长m p p t 自动跟踪控制原理框图 众所周知，光伏最大功率跟踪系统中跟踪速度与跟踪精度始终互为矛盾，也就是说， 大的跟踪步长虽然可以提高跟踪速度，但在m p p t 跟踪系统中将产生较大的振荡，降低了 跟踪精度，反之亦然。本文提出了基于自适应模糊控制跟踪算法，在一定程度上解决了跟 踪精度与跟踪速度之间的矛盾问题。如图4 2 所示，假设系统稳定工作于曲线1 的彳点， 此点为曲线1 的只。，点。当光强快速变化时，光伏特性曲线由1 至4 时，工作点移到么。 点，这就偏离了最大功率点。这时要使工作点自动跟踪到最大工作点d ，要求方阵工作 电压减小到d 点所对应的电压值。根据传统的扰动观察法，在一定的跟踪步长艿下，从 彳。点到d 点要经过n 个执行周期，并且容易出现一定的误判，显然在此期间将会产生一 定的功率损失。改进的基于自适应模糊控制跟踪算法从判断跟踪系统前一时刻的输出功率 和当前输出功率相比，产生一个偏离距d ，并自动设置一个较大的步长五，实现快速达 到d 点，使得光伏阵列工作在最大功率点d 附近。在达到d 点后，以d 点作为新的起始 扰动点向d 逼近，其偏离d 的偏离距为甜。，此时再自动调整一个较小的步长文，可精 确实现对于最大功率点的跟踪。此算法将使得从么。到d 的调整步数大减少，从而提高了 速度；当调整到d 点时再以较小的步长跟踪逼近d ，从而保证了精度。 南京信息工程大学硕士论文 p ) 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0u ( v ) 图4 2 不同辐射强度的p - v 曲线 基于自适应模糊控制思想的m p p t 的主要思想： 本文所设计的算法和传统的扰动观察法不同的是，当找到系统最大功率点之 后，不是继续扰动，而是停止扰动。之所以这样做，是因为如果继续扰动的话，系统就始 终无法工作在最大功率点上，从而造成系统的输出不稳定，并降低系统效率。因为在日照 时间，短时间内太阳电池的输出变化很小，所以没有必要一直扰动。但系统一直在检测传 感器，如果传感器电量突变( 变化较大) ，说明阳光被云层遮住了，需要重新启动跟踪系 统寻找尸蚴点，不然将导致输出功率更小，并严重影响系统的正常运行。 4 3 基于自适应控制m p p t 跟踪算法 在光伏发电的过程中，太阳的日照，环境温度等变化量是光伏阵列输出功率的决定因 素。由于天气环境的未知性很大，通常最大功率点是无法预知的，为了能够更加有 效的实现光伏发电，本文基于自适应模糊控制算法对系统进行了设计。 一个理想的光伏电池，式( 1 ) 中的等效串联电阻r ，很小，而等效并联电阻r 曲很 大。 由式( 1 ) 推导出 南京信息工程大学硕士论文 卜i ：( e 悔化掣叫 斟， 卜“ o 时，系统输出功率尸缈趋向于最大功率点。当已 o 时，p ) 在乙的左侧。当e ( k ) o 时，尸内在的右侧。而p ( k ) 偏离 或靠近尸麟的“趋势”与e ( k ) 值的大小有关。 当p 内= d ，e ( 忌) = d 时，可认为尸内= 。 设定p 内为系统性能指标参数。对于系统的五个判断阶段，p 内有5 个模糊子集( - 2 、- 1 、0 、1 、2 ) ，通过此指标来表现系统运行状态趋势，其中：2 表示光伏阵列输出功率与 最高功率点的偏离距i 尸一尸蚴= d 。、1 表示光伏阵列输出功率与最高功率点的偏离距 i p k j = d 2 、0 表示偏离距进入合适的偏差范围、- 1 表示光伏阵列输出功率与最高功 3 0 南京信息工程大学硕士论文 率点的偏离距i 尸一尸懈l = d 3 、- 2 表示光伏阵列输出功率与最高功率点的偏离距 p 一i = d 4 ( 并有盔 d 2 d 3 岛) ，说明 环境有所变化，但是变化不大，则启动第二轮搜索寻找最大功率点；如果二者差别很大并 超过占，则启动第一轮搜索寻找最大功率点。当工作点远离m p p t 时如何利用模糊控制 理论并结合变步长扰动跟踪，实现逼近m p p t 是本算法的要点。 南京信息工程大学硕士论文 第五章自动跟踪控制电路的设计 5 1 设计目标及要求 一、设计目标 课题设计目标：根据太阳辐射能的特点、光伏电池的特性，分析网发电时逆变器工作特 性，以实现对太阳角度及最大功率点的跟踪。 二、设计要求 课题设计要求： 自动跟踪的实现： 所设计的单轴太阳自动跟踪系统的核心部分是单片机，需设计合理的程序近而对电机 进行控制，首先应能够适时改变电池板的角度使光阵列和太阳光入射角成垂直9 0 ，接 着通过控制逆变器负载来控制输出电压，以达到跟踪光伏系统最大功率点( m p p t ) 。 抗干扰性： 为保证跟踪的准确性，系统必须具有较强的抗干扰能力，设计应从硬件和软件两方面 着手来抑制系统的干扰。 5 2 光伏自动跟踪系统硬件设计总体方案 5 2 1 硬件设计方案 国内外目前已有了很多光伏电站。太阳能发电在我国多采用传感器跟踪式的系统，发 电成本还很高，不利于跟踪系统的推广与发展。提高发电效率是降低成本的捷径，本文设 计的太阳能电池自动跟踪系统，使太阳能电池板始终对着太阳，保持最大的发电效率，具 有成本低等优点，有较好的推广应用价值。 太阳能电池是依靠太阳光辐射能而产生电能的器件，同样的一块太阳能板由于放置的 角度不同，所接受的光辐射能不同，同时其产生的电能也不同。因此为了提高太阳能电池 电能的产量，可以让太阳能板自动的随着天空中太阳的方位角的变化而实现跟踪。在此基 础上利用自适应模糊控制算法控制跟踪系统的输出电压，达到控制系统输出功率，最终实 现跟踪系统最大功率点的效果。【2 8 】 3 5 南京信息工程大学硕士论文 太阳自动跟踪系统主要分为机械部分和控制部分。机械部分主要由电池板支架，底座 和直流电机构成，控制部分驱动电机，可以使电池板在东西方向上的o 一1 8 0 度自由旋转。 控制部分主要由软件算法构成具有成本低，智能化程度高，扩展性强等优点。太阳能自动 跟踪硬件系统平台示意图，如图5 1 所示1 3 】。 图5 1 太阳能自动跟踪硬件系统平台示意图 5 2 2 太阳能自动跟踪系统基本组成 太阳能自动跟踪硬件系统平台主要由两大部分组成：第一部分信号采样模块，其中包 括了光敏传感器3 d u 3 1 、电压采样模块、电流采样模块、信号处理电路、模数转换模 块、单片机。第二部分是控制输出模块，其中包括了电机驱动模块、步进电机、p 删整流 驱动模块、控制器、蓄电池负载、光伏电池、单片机。 5 3 本系统各硬件的选型 5 3 1 光敏传感器 光敏三极管是具有放大功能的光一电转换三极管，广泛应用与各种光控电路中。在无 光照射时，光敏三极管处于截至状态，无电信号输出。当光信号照射在光敏三极管的基极 南京信息工程大学硕士论文 时，光敏三极管将导通，从发射极或集电极输出放大后的电信号。其应用电路入图5 2 所 示 、 、 = - 图5 2 光敏传感器电路 3 d u 31 光敏三极管电器特性： 反响击穿电压：1 5 v 最高工作电压：1 0 v 暗电流：0 3 u a 光电流：0 5 - 1 m a 功耗：3 0 m w 峰值波长：8 8 0 n m 5 3 2 电机及其驱动电路 电机驱动电路由l 2 9 8 组成。l 2 9 8 是双h 桥式驱动器。l 2 9 8 内含的功率输出器件设计 制作在一块石英基片上，由于制作工艺的同一性，因而具有分立元件组合电路不可比拟的 性能参数一致性，工作稳定。其工作电路如图5 3 ： 3 7 南京信息工程大学硕士论文 d 1 - d 8 - 1 l e q s 嘶 图5 3l 2 9 8 - r 作电路图 本系统的步进电机用的是六线二相步进电机，其原理图如5 4 ： m o l 0 1 s 锄 薹三0 三刍 白冒耵叫fm ) 绿g 髓b 一 l jj 3 8 南京信息工程大学硕士论文 表s - 1 步进电机半步时序表 时序 a +a -b a + 10o0l 2o 0l 1 3oo10 4 011 0 501o0 6 l100 71o0o 8 100 1 表5 - 2 步进电机整步时序表 时序 a +b a -b + 11ool 20ol1 3oll0 4110o 5 3 3由m s p 4 3 0 单片机组成的控制模块 m s p 4 3 0 是德州公司新开发的一类具有1 6 位总线的带f l a s h 的单片机，由于其性价 比和集成度高，受到广大技术开发人员的青睐它采用1 6 位的总线，外设和内存统一编址， 寻址范围可达6 4 k ，还可以外扩展存储器具有统一的中断管理，具有丰富的片上外围模块， 片内有精密硬件乘法器、两个1 6 位定时器、一个1 4 路的1 2 位的模数转换器、一个看门 狗、6 路p 口、两路u s a r t 通信端口、一个比较器、一个d c o 内部振荡器和两个外部时 钟，支持8 m 的时钟由于为f l a s h 型，则可以在线对单片机进行调试和下载，且j t a g 口 直接和f e t ( f l a s he m u l a t i o nt o o l ) 的相连，不须另外的仿真工具，方便实用，而且， 可以在超低功耗模式下工作，对环境和人体的辐射小，测量结果为1 0 0 m w 左右的功耗( 电流 3 9 南京信息工程大学硕士论文 为1 4 m a 左右) ，可靠性能好，加强电干扰运行不受影响，适应工业级的运行环境，适合与做 手柄之类的自动控制设备。它是通向d s p 系列的桥梁。 5 3 3 1m s p 4 3 0 单片机的特点 m s p 4 3 0 系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下的特点。 强大的处理能力m s p 4 3 0 系列单片机是一个1 6 位的单片机，采用了精简指令集 ( 砌s c ) 结构，具有丰富的寻址方式( 7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址) 、简洁 的2 7 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种 运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8 m h z 晶体驱动下指令周期为 1 2 5 n s 。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 在运算速度方面，m s p 4 3 0 系列单片机能在8 m h z 晶体的驱动下，实现1 2 5 n s 的指令 周期。1 6 位的数据宽度、1 2 5 n s 的指令周期以及多功能的硬件乘法器( 能实现乘加) 相配 合，能实现数字信号处理的某些算法( 如f f t 等) 。 m s p 4 3 0 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处 于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6 u s 。 超低功耗m s p 4 3 0 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵 活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。 首先，m s p 4 3 0 系列单片机的电源电压采用的是1 8 3 6 v 电压。因而可使其在 1 m h z 的时钟条件下运行时，芯片的电流会在2 0 0 - - 4 0 0 u a 左右，时钟关断模式的最低功 耗只有0 1 u a 。 其次，独特的时钟系统设计。在m s p 4 3 0 系列中有两个不同的系统时钟系统：基本 时钟系统和锁频环( f l l 和f l l + ) 时钟系统或d c o 数字振荡器时钟系统。有的使用一 个晶体振荡器( 3 2 7 6 8 h z ) ，有的使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生c p u 和各功 能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的 控制。 由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著 的不同。在系统中共有一种活动模式( a m ) 和五种低功耗模式( l p m o - _ l p m 4 ) 。在等 待方式下，耗电为0 7 u a ，在节电方式下，最低可达o 1 u a 。 系统工作稳定上电复位后，首先由d c o c l k 启动c p u ，以保证程序从正确的位置 开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控 南京信息工程大学硕士论文 制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做c p u 时钟m c l k 时发生故障， d c o 会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。 丰富的片上外围模块m s p 4 3 0 系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们 分别是看门狗( w d t ) ，模拟比较器a 、定时器a ( t i m e r _ a ) 、定时器b ( t i m e r _ b ) 、串口0 、1 ( u s a r t o 、1 ) 、硬件乘法器、液晶驱动器、1 0 位1 2 位 a d c 、1 2 c 总线直接数据存取( d m a ) 、端口o ( p 0 ) 、端口1 1 ( p 1 - p 6 ) 、基本定 时器( b a s i ct i m e r ) 等的一些外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速 复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出a d 转换器；1 6 位定 时器( t i m e ra 和t i m e rb ) 具有捕获比较功能，大量的捕获比较寄存器，可用于事件 计数、时序发生、p w m 等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口 可方便的实现多机通信等应用；具有较多的i 0 端口，最多达6 * 8 条i o 口线；p 0 、 p 1 、p 2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；1 2 1 4 位硬件a d 转换器有较高 的转换速率，最高可达2 0 0 k b p s ，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达 1 6 0 段；实现两路的1 2 位d a 转换：硬件1 2 c 串行总线接口实现存储器串行扩展；以及 为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输( d m a ) 模块。m s p 4 3 0 系列单片机的这些 片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。 5 3 3 2 本系统采用的芯片介绍 本系统采用的m s p 4 3 0 f 1 4 9 具有4 3 0 单片机几乎所有的功能，其内部存储器达到 6 0 k + 2 5 6 b f l a s h r o m ，2 l ( br a m ，其内部的两个1 6 位定时器可组成l o 个定时器、p w m 、或者 捕获计数器。将其带的比较器与1 2 位的a d 转换器可构成一个类似于一技术的高精度 单斜率a d 。其自带的2 个u s a r t 模块可以方便以2 3 2 3 1 4 8 5 等总线共用。其中，u s a r t 0 与 s p i 总线接口合用。 5 3 4 电压采样模块 对于光伏阵列的输出电压本系统采用了霍尔电压传感器v s m 0 2 5 a 来实现。 v s m 0 2 5 a 外部接线图如图5 5 4 1 南京信息工程大学硕士论文 旦广 i p v + + + 15 v v - - m d 15 v n vc 目 v 二m i s 源地) 图5 5v s m 0 2 5 a 外部接线图 l 、测量电压时，r j 电阻串联在传感器原边回路上，为使传感器达到最佳精度，尽量 选择足的大小使输入电流为1 0 m a 左