可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报5（2018）135基于模糊逻辑的独立直流光伏-蓄电池混合系统控制Neerparaj Raia，Mr. Bijay Raib电气工程系，B.R.博士印度安贝德卡理工学院b印度锡金马尼帕尔理工学院电气工程系接收日期：2016年12月27日;接收日期：2017年8月5日;接受日期：2018年2月24日在线发售2018年摘要提出了一种基于模糊逻辑控制的光伏-蓄电池混合供电系统，以满足离网隔离直流负载的需求。采用扰动观测法（PO）控制DC-DC升压变换器的占空比，实现最大功率点跟踪（MPPT）模糊逻辑控制器通过双向降压-升压转换器调节电池的功率流完整的能量管理系统已在MATLAB/SIMUINK中进行了验证仿真结果表明，与常规PID控制系统相比，模糊控制系统使电池峰值电流降低了0.22%，提高了电池的使用寿命，并使直流负载电压的建立时间和峰值超调量分别降低了16.23%和14.62%。© 2018 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：光伏;模糊控制器;双向变流器1. 介绍由于化石燃料的快速消耗和污染率的增加，可再生能源已成为最有效的能源。但整合这些可再生能源的主要挑战是其间歇性和成本。光伏是最有效的可再生能源之一，但它在夜间不可用 这确保了对两种或更多种可再生能源的需求（Torreglosa等人，2014年）。因此，为了使这种混合动力系统更可靠和更具成本效益，必须有一些能量存储设备来存储可用的能量，并在低PV输出情况下为负载供电。电池和超级电容器（SC）用于存储目的。与SC相比，电池的重要优势在于其高能量密度。它们至少可以储存3-30个*通讯作者。电子研究所（ERI）负责同行评审https://doi.org/10.1016/j.jesit.2018.02.0072314-7172/© 2018电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。136N. 拉伊湾，巴西-地Rai/电气系统和信息技术杂志5（2018）135比SC多10倍的电荷（Thounthong等人，2009年）。然而，SC能够提供比类似尺寸的电池多几百到几千倍的功率（Weddell等人， 2011年）。 因此，与SC相比，电池能够提供长期的能源需求。在所有运行条件下，P-V曲线上都有一个点，整个PV系统都在该点运行。这允许操作以最大效率产生最大输出功率许多MPPT方法已经被开发和实施。 这些方法在复杂性、所需的传感器、收敛速度、成本、实现硬件、有效性范围、流行度以及其他方面有所不同（Faranda等人，2008; Rohrig和Lange，2008;Faranda和Leva，2008;Salas等人，2006;Esram和Chapman，2007;Zegaoui等人，2011年）。为了实现最大功率跟踪，提出了一种基于扰动观测（PO）控制的中间&DC-DC升压变换器&。MPP跟踪应用于独立的PV系统，以便在所有太阳辐射和温度值下提取最大可用功率。 PO&技术（Femia等人，2005; Femia等人， 2007），其基于迭代算法，因为其易于实现快速跟踪能力和最小稳态振荡而被广泛使用。混杂系统的控制问题一直是众多学者研究的重点 Garca等人（2013）研究了基于FC-电池- SC的混合动力系统，以提供混合动力车辆类型的负载。 Glavin等人（2008）已经研究了基于PV-SC-Battery的混合能源系统的控制。Guiting等人（2013）分别实施了基于平坦度的控制策略和基于经典PI控制器的控制来研究PV-FC-SC能量系统。Thounthong等人（2013）采用基于PVFC电池-SC的混合系统进行研究。在本文中，提出了一种模糊逻辑控制器（FLC）的独立光伏应用保持恒定的直流母线电压PV被用作主要能源，但由于PV电源的波动性质，电池并联连接作为备用能量存储系统。基于扰动观察控制算法的MPPT控制器给出了实现MPP所需的占空比。双向设计了一个FLC控制器来调节MOSFET开关的占空比，以在不同的太阳辐射条件下保持独立系统的功率平衡建议的混合系统可以在农村家庭中实施，用于闪电目的和运行隔离泵以进行有效的收获。在第二节中对整个混合动力系统进行了建模，其中包括太阳能光伏组件的建模以及FLC和PID控制器的设计在第3节中，给出了辐照度变化对直流母线电压、电池电流和电池SOC的影响第&3节还包括PO对照的MPPT跟踪结果。最后，在第4节中给出了结论。2. 混杂系统所提出的考虑光伏电池的混合能源系统如图1所示。该系统是用来支持-以恒定电压施加独立的DC负载。本文以光伏为主要电源，用作备用储能元件。升压转换器用于将PV阵列与负载连接。基于P O技术的MPPT被实现以总是提取最大可用太阳能功率。采用一种基于FLC的DC-DC双向Buck/Boost变换器控制策略，使直流侧电压在太阳辐射变化时保持恒定。根据DC总线电压来控制电池的充电和放电。2.1. 光伏组件PV电池产生约0.5 V-0.8 V，由于电压值很小，它不能用作单个PV电池。因此，PV电池串联连接以增加电压（即从36个电池增加到72个电池）以形成PV模块。PV电池组也并联连接以实现更高的输出电流值。建立了200 W、12 V光伏组件的Matlab/Simulink模型，该组件采用4组36节电池并联所开发的模型允许预测的输出，可以是PV电流，电压或功率。气象数据，如辐照度和温度被认为是输入变量。该模型基于数学方程，输入变量的任何变化都会引起输出参数的立即变化。N. 拉伊湾，巴西-地Rai/电气系统和信息技术杂志5（2018）135137pH我R1000Fig. 1.光伏电池混合系统的结构。图二.光伏电池的等效电路。PV电池的I-V特性不是线性的，并且取决于多个参数。在对PV电池建模时，考虑电池的串联电阻Rs和分流电阻Rp以获得精确和准确的结果。分流电阻是非常大的，一些作者忽略了并联电阻的PV电池的建模中的结合本文的重点是设计一个简化的太阳能电池模型，以显示在不同情况下的太阳能充电控制器的有效性因此，使用与二极管和串联电阻Rs并联的电流源来模拟理想PV电池。使用基尔霍夫定律，到负载的电流Ipv可以写为：Ipv=Iph−Id（1）由方程式Iph是PV电池产生的光电流PV电池的光电流取决于太阳辐射和温度，根据方程：（二）、I=[I+K（T-T）]。中国（2）其中S：太阳辐射（W/m2），Tr：标准测试条件下的电池温度（STC）= 273 + 25 = 298 K，T：实际电池温度（开尔文），Ki：电池短路电流的温度系数图2中所示的二极管电流Id与反向饱和电流Irs成比例，如等式2所示。（三）、SCR138N. 拉伊湾，巴西-地Rai/电气系统和信息技术杂志5（2018）135- 是 的ΣΣ−Id=Irs第1章（3）VTN. 拉伊湾，巴西-地Rai/电气系统和信息技术杂志5（2018）135139××- 是 的ΣΣ−××-T图三. (a)PV模型的I-V曲线。(b) P–V curve of the PV其中，V是二极管两端的电压，A是二极管的理想因子，Ns是串联的PV电池的数量（Ns= 36），VT被称为热电压，其是温度的函数。K.TVT=（四）Q其中，k是玻尔兹曼将上面的两个等式（3）和（4）我们得到等式。（五）、Id=IrsexpqV1（5）K.T.A.Ns二极管反向饱和电流定义为：（六）、. T-3不R- 是的q.Eq. 1A.K不R1ΣΣ二极管反向饱和电流随温度的三次函数变化Eg是半导体的带隙能量（1.166 eV），Irr是STC下的反向饱和电流的参考值（0.000021 A）。最后，PV阵列输出电流（Ipv）使用以下数学方程获得：（5）和（7）。Np是并联的PV电池的数量（Np=4）。Ipv=Np.Iph−Np.Id（7）在该PV模型中，四组并联的36个PV电池串联连接，形成一个200 W，12 V额定值的PV模块。图3（a）和（b）中所设计的光伏组件的2.2. MPPT控制（P O）扰动观测法也称为爬山法（Hill Climbing，HC）。其工作原理是在一定的光伏电池工作电压范围内，对光伏电池的有功电压进行微小扰动，观察输出功率的变化方向。如果输出功率增加，则应保持相同方向的扰动，否则应进行逆原始方向的扰动。由于PV阵列使用升压转换器连接，因此通过降低转换器的占空比来增加PV电压，反之亦然。图4总结了P O方法的控制作用。如果PV电压在特定方向上受到扰动，并且功率和电压的变化乘积为正（MPP<$V > 0），则意味着工作点正在向MPP移动。因此，占空比进一步减小以增加PV电压。否则，如果（MPP<$V 0），则操作点已经远离MPP，并且P 0算法通过增加升压转换器的占空比来反转扰动的方向。在本文中，扰动和观察的方法，以提取最大功率从光伏运行通过感测光伏电压（Vpv）和光伏电流（IPv）。MPPT控制器始终将PV功率调节到其最大功率。如果有更多的电力可用，它总是会去充电电池。Irs=I rrexp（六）140N. 拉伊湾，巴西-地Rai/电气系统和信息技术杂志5（2018）135- − −−见图4。P O MPPT方法的流程图。2.3. 模糊逻辑控制器在所提出的混合动力系统中，电池用作备用和长期能量存储元件。它有助于通过存储多余的功率来补偿波动的PV功率输出，并在低PV功率情况下放电。电池组由两象限双向DC-DC转换器驱动FLC控制器改变双向转换器的开关S2和S3的占空比，以切换和调节从充电到放电的操作模式在模拟中，电池放电电流被认为是正的，而电池充电电流被认为是负的。设计了一种模糊逻辑控制器，对100 A h，12 V铅酸蓄电池的充放电过程进行控制。有各种充电方法用于充电铅酸蓄电池，如恒流法，恒压法，脉冲充电法，浮充法，两阶段恒压充电等的概念，在建议的设计中采用的是改变充电和放电电池的电流，以稳定的直流母线电压。用于定义FLC控制器的三个块是：（i）模糊化块，（ii）推理块和（iii）解模糊化块。模糊化允许实变量作为模糊块输入并控制输出变量。直流母线电压（V母线）持续测量。直流母线电压和参考电压（Vref）之间的误差e（k）和误差de（k）的变化将是采样时刻k处模糊逻辑控制器的输入 如图在图5a-c中，已经选择了五个模糊子集PB（正大）、PS（正小）、ZO（零）、NS（负小）和NB（负大）用于输入变量（e（k）、de（k））和输出变量（pND）。三角形隶属函数用于关联输入和输出变量。输入变量e（k）和de（k）的范围分别设置在[0.2 0.2]和[输出变量（D）的范围为[ 1e 5 1e 5]。误差和误差变化的模糊控制规则可参见表1所示的表。e（k）=Vref−Vbus（k）（8）de（k）=e（k）−e（k−1）（9）制定了一个规则库，它也可以表示为if-then语句。25模糊规则，这有助于近似输出变量被写入。换句话说，模糊推理块映射模糊输入和输出变量。输入变量和输出变量之间的关系也可以用图（3D）表示。 5天。N. 拉伊湾，巴西-地Rai/电气系统和信息技术杂志5（2018）135141Σj=1图五. (a)输入变量（e（k））的隶属函数分布。(b)输入变量（de（k））的隶属函数分布。(c)输出变量的隶属函数分布（4D）。(d)模糊规则库的三维图。表1提出的模糊控制器的规则库。de（k）e（k）NBNSZOPSPBNBNBNBNBNSZONSNBNBNSZOPSZONBNSZOPSPBPSNSZOPSPBPBPBZOPSPBPBPB制定规则背后的主要思想是通过增加或减少双向转换器的占空比来保持DC链路电压接近参考电压。因此，去模糊化块产生可量化的结果，即输出变量的所需值（VDD）以调节总线电压。最常用的去模糊化方法是区域中心（COA），其输出是通过结合推理过程的结果，然后计算区域的模糊质心来完成的。输出成员函数的加权强度乘以相应的输出隶属函数中心点并求和。最后，将该区域除以加权成员函数强度之和。在数学上，输出（WMD）使用等式（1）计算。（十）、卢恩μ。 . Dj（十）D=nj=1μ。 . dj模糊控制器输出，即占空比的变化Δ D（k），与占空比D（k-1）的最近过去值相加。最终输出D（k）使用等式（1）计算。（十一）、D（k）=D（k−1）+D（k）（11）142N. 拉伊湾，巴西-地Rai/电气系统和信息技术杂志5（2018）135见图6。双向变流器串级PID控制器。见图7。(a)可变太阳辐射。(b)最大PV功率输出。开发一个模糊逻辑控制器是简单的，也给出了良好的性能。控制器的设计可以根据电池规格和负载要求而改变。2.4. PID控制器图6描绘了用于双向转换器的PID控制器的控制方案。双向buck-boost变换器由两个级联的PI控制器控制，包括外部电压控制和内部电流控制。检测DC总线电压（Vbus）并与DC总线电压基准（Vbusref）进行比较以产生误差。该误差通过PI控制器最小化，并产生电流基准（Iref）。该Iref必须通过电池电流调节功能限制在最大允许充电和放电电流[Ibatmax; Ibatmin]。电流限值取决于电池额定值。将电流参考与实际电池电流（Ibat）进行比较，并且再次调谐误差，产生互补脉冲以驱动开关S2和S3。3. 模拟结果和讨论图图7 b示出了PV功率输出总是随着辐照度（G）的变化而跟踪其最大值，如图7 b所示。 7a满足第一控制目标。MPPT P O控制器感测PV模块电流和电压以计算驱动升压转换器所需的占空比所用元件的设计值为：（L1 = 1.33 mH; C1 = 1 mF; L2 = 1.5 mH）。如第2.1节所述，STC条件下最大光伏阵列输出功率为200 W。这可以从图中得到验证。 7 b.在t = 0 s ~ t =0.0 1 s之间，当太阳辐照度为10 0 0 W/m2时，光伏输出功率与其最大值2 0 0 W相匹配。同样，它也可以在其他时刻进行验证第二个目标是通过在可变太阳辐照度下电池组和光伏阵列之间的电流共享机制通过仿真比较了FLC和PID控制器的控制效果，这两种控制器用于调节从电池通过双向降压-升压转换器的功率流系统的性能，如电池电流的平滑度，电池峰值电流降低，建立时间和辐照度变化下的直流母线电压的超调进行了评估。电池电流的平滑性表明对电池的动态应力减小，并且减小电池的峰值电流避免了深度放电，并且电池组也可以减小尺寸。N. 拉伊湾，巴西-地Rai/电气系统和信息技术杂志5（2018）135143图8.第八条。使用PID控制的结果：（a）电池电流波形。（b）电池的荷电状态（SOC）（c）调节直流母线电压V母线。图9.第九条。使用FLC对照的结果：（a）电池电流波形。（b）电池的荷电状态（SOC）（c）调节直流母线电压V母线。对于如图8（a）所示的具有PID控制器的系统，电池总是经历高度波动的充电/放电电流。 对于具有FLC控制的系统，图9（a）示出了与具有PID控制的系统相比，电池的动态应力略有改善。图图9（a）和图8（a）示出了电池峰值电流也减小，除此之外，电池的最终SOC有所改善如图所示，采用FLC控制的系统将直流链路电压的建立时间和峰值过冲分别提高了16.23%和14.62%对于采用FLC控制的系统，该策略使电池峰值电流降低了0.22%。144N. 拉伊湾，巴西-地Rai/电气系统和信息技术杂志5（2018）1354. 结论设计了一种扰动观测（P O）MPPT控制器，用于在全天候条件下接收来自光伏阵列的最大功率。所得到的系统能够准确和快速地跟踪MPP，而没有稳态振荡。模糊控制器的比较显着平滑的电池电流，提高了电池的寿命，也减少了建立时间和峰值过冲的DC链路电压分别为16.23%和14.62%相比，系统与PID控制器。引用Esram，T.，查普曼，P.L.，2007. 光伏阵列最大功率点跟踪技术比较。IEEETrans. 能源转换器。22（2），439-449。法兰达河，Leva，S.，2008年光伏系统最大功率跟踪技术的能量比较。 WSEAS Trans. 电源系统 3（6），446-455。法兰达河，Leva，S.，Maugeri，V.，2008年光伏系统的最大功率点跟踪技术：能量和成本比较。 Proc. 美国电气与电子工程师协会。Femia，N.，彼得罗内，G.，Spagnuolo，G.，Vitelli，M.，2005年 扰动最大功率点跟踪方法的优化。 IEEE Trans.航空公司电子系统20（4），963-973。Femia，N.，彼得罗内，G.，Spagnuolo，G.，Vitelli，M.，2007年 预测自&适应MPPT扰动和自适应方法. 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