用于無線傳感器節(jié)點(diǎn)的太陽能MPPT算法研究

張湧濤　郭穎

摘要：為使無線傳感器節(jié)點(diǎn)能夠高效地利用太陽能電池供應(yīng)的能量，設(shè)計(jì)一款模糊滑模控制算法追蹤太陽能電池的最大功率點(diǎn)。該算法的優(yōu)勢(shì)在于其滑動(dòng)模態(tài)對(duì)加給太陽能供電系統(tǒng)的外界干擾具有自適應(yīng)性。系統(tǒng)首先利用輸出功率的誤差構(gòu)建滑模函數(shù)并且對(duì)其模糊化，再利用模糊逼近方法實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能電池非線性系統(tǒng)的快速、穩(wěn)定控制，并增大跟蹤的平滑性。與單獨(dú)的滑模控制算法對(duì)比和仿真實(shí)驗(yàn)均表明，該算法的追蹤速度快、穩(wěn)定性好，這將使太陽能電池板發(fā)揮最大效益并為節(jié)點(diǎn)增加生命周期。

關(guān)鍵詞：無線傳感器節(jié)點(diǎn)；太陽能電池；最大功率點(diǎn)；模糊滑模控制

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2018）02-0113-05

0引言

無線傳感網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、軍事等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，但作為整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)重要組成部分的節(jié)點(diǎn)往往安插在不易維護(hù)、無人看守的極端環(huán)境中，如果采用傳統(tǒng)的干電池供電方式，人為更換電池實(shí)屬不易，而且也大大增加了無線傳感器的維護(hù)成本。而通過收集環(huán)境中的能量轉(zhuǎn)換成電能來替代電池可以緩解甚至解決無線傳感器節(jié)點(diǎn)的供電問題。

采用太陽能電池為無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電已成為近年來一個(gè)重要的研究方向，Prometheus設(shè)計(jì)的供電電路采用兩級(jí)能量存儲(chǔ)裝置合理地進(jìn)行能量存儲(chǔ)，但此電路沒有對(duì)太陽能進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），未實(shí)現(xiàn)能量輸出的最大化；蘇秀蓉等采用恒電壓跟蹤法跟蹤光伏電池板最大功率點(diǎn)為蓄電池供電，但因不能隨時(shí)跟蹤MPP而使效率受限。根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)，采用太陽能電池的MPPT可以控制能量最大效率輸出，所以選取合適的控制算法極其重要。控制算法種類繁多，如間接控制法中的恒壓跟蹤法、曲線擬合法；直接控制法中的擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法：智能控制法中的模糊控制法、滑模控制法。這些控制算法有各自的特點(diǎn)，如間接控制算法簡(jiǎn)單但是效率低；直接控制法能夠依據(jù)環(huán)境的變化進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤但是跟蹤速度有待提高；智能控制彌補(bǔ)了前面兩種算法的不足，它能夠快速、穩(wěn)定地進(jìn)行跟蹤，并且算法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。

滑模控制是一種十分有價(jià)值的控制方法，具有較好的穩(wěn)健性。作為非連續(xù)控制，它具有很強(qiáng)的抗干擾能力并且算法簡(jiǎn)單。本文采用此算法結(jié)合模糊控制算法對(duì)其自身缺陷做出調(diào)整，調(diào)整后的模糊滑模控制算法將更快速、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)最大功率實(shí)時(shí)跟蹤，為節(jié)點(diǎn)增加生命周期。

1太陽能供電系統(tǒng)

太陽能供電系統(tǒng)如圖1所示，主要由太陽能電池板、DC-DC控制器、鋰電池組成。

當(dāng)太陽能電池直接與負(fù)載連接時(shí)，太陽能電池輸出曲線和負(fù)載曲線相交的點(diǎn)為其工作點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)一般與太陽能電池的最大功率點(diǎn)截然不同，從而導(dǎo)致太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率較低。由此，在太陽能電池和負(fù)載中間插入一個(gè)DC-DC變換器以隨時(shí)跟蹤太陽能電池板的MPPT點(diǎn)，使其輸出功率最大。

太陽能電池發(fā)電受天氣、氣候變化影響較大，當(dāng)影響因素變化時(shí)難以平穩(wěn)發(fā)電，因此太陽能供電系統(tǒng)需配備儲(chǔ)能裝置。在陽光充沛時(shí)，可以直接為傳感器節(jié)點(diǎn)供電同時(shí)將多余的能量存儲(chǔ)起來，晚上或者陰雨天氣，太陽能電池板難以維持節(jié)點(diǎn)的需要，此時(shí)將存儲(chǔ)裝置的能量釋放出來滿足負(fù)載需求。本文選取鋰電池作為存儲(chǔ)裝置，鋰電池具有能量密度高、壽命長(zhǎng)、自放電率低、無污染等優(yōu)點(diǎn)，是太陽能供電系統(tǒng)的最優(yōu)選擇舊。

2太陽能電池板輸出特性及常用MPPT算法

太陽能電池基本上是由半導(dǎo)體材料制成，當(dāng)有光照射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光生電流從而形成太陽能電池，其I-U特性方程如下：

太陽能電池是整個(gè)系統(tǒng)最核心的部分，它將光能轉(zhuǎn)化為電能供負(fù)載消耗，同時(shí)將多余的能量存儲(chǔ)在鋰電池中以備負(fù)載的不時(shí)之需。太陽能電池是一個(gè)非線性系統(tǒng)，它的能量輸出受環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度的影響，圖2、圖3分別為不同溫度和光照強(qiáng)度下的I-U特性曲線和P-U特性曲線。太陽能電池的輸出功率等于輸出電壓和電流的乘積，圖2中曲線上輸出電壓與電流乘積的最大值點(diǎn)即為最大功率點(diǎn)。由圖3可知，不同光照強(qiáng)度和溫度下的電池有不同的最大功率值。太陽能電池的最大功率輸出可以使太陽能電池發(fā)揮最大效益。

3模糊滑模控制

滑模控制作為非連續(xù)控制，具有很強(qiáng)的抗干擾能力并且算法簡(jiǎn)單，因此得到廣泛的應(yīng)用。但是，滑模控制也存在缺陷，當(dāng)運(yùn)動(dòng)軌跡到達(dá)滑模面時(shí)，很難穩(wěn)定滑動(dòng)，而是穿梭在滑模面兩側(cè)，產(chǎn)生抖振。針對(duì)此問題，將模糊控制、滑模控制結(jié)合在一起構(gòu)成模糊滑模控制以減小滑模抖振，并實(shí)現(xiàn)對(duì)MPP的快速穩(wěn)定跟蹤。

3.1控制器的設(shè)計(jì)

定義太陽能電池理想與實(shí)際輸出功率誤差公式：

為證明此算法優(yōu)越性，在光照強(qiáng)度為1000W/m²，溫度為25℃的條件下，將該算法與擾動(dòng)觀察法進(jìn)行跟蹤比較，與單獨(dú)的滑膜控制進(jìn)行穩(wěn)態(tài)抖振比較。圖4中系統(tǒng)過渡時(shí)間為0.016s，并且響應(yīng)沒有出現(xiàn)抖振和超調(diào)：圖5中系統(tǒng)過渡時(shí)間為0.022s，產(chǎn)生了抖振。通過對(duì)比可知，模糊滑模控制算法跟蹤速度快、穩(wěn)定性好，并且可以消減滑模控制自身的抖振。由圖6、圖7可知，當(dāng)?shù)竭_(dá)最大功率點(diǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，該算法比單獨(dú)的滑模控制算法抖振的振幅小，而且頻率低，所以進(jìn)一步證明該算法的穩(wěn)定性好，同時(shí)能彌補(bǔ)自身存在的抖振。

5結(jié)束語

本文提出的基于模糊滑模控制的最大功率點(diǎn)算法，通過滑模控制與模糊控制相結(jié)合，不但實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性系統(tǒng)太陽能電池板的有效控制，而且削減了滑模控制的抖振現(xiàn)象。模糊滑模控制較擾動(dòng)觀察法有較快的追蹤速度和較好的穩(wěn)定性。此算法能夠使太陽能電池板輸出效益最大，從而增加節(jié)點(diǎn)的生命周期。