用于無線傳感器節(jié)點的太陽能MPPT算法研究

張湧濤　郭穎

摘要：為使無線傳感器節(jié)點能夠高效地利用太陽能電池供應(yīng)的能量，設(shè)計一款模糊滑?？刂扑惴ㄗ粉櫶柲茈姵氐淖畲蠊β庶c。該算法的優(yōu)勢在于其滑動模態(tài)對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)并且對其模糊化，再利用模糊逼近方法實現(xiàn)對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。與單獨的滑?？刂扑惴▽Ρ群头抡鎸嶒灳砻?，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)點增加生命周期。

關(guān)鍵詞：無線傳感器節(jié)點；太陽能電池；最大功率點；模糊滑?？刂?/p>

文獻標志碼：A

文章編號：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、環(huán)境、軍事等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，但作為整個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)重要組成部分的節(jié)點往往安插在不易維護、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，人為更換電池實屬不易，而且也大大增加了無線傳感器的維護成本。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)點的供電問題。

采用太陽能電池為無線傳感器節(jié)點供電已成為近年來一個重要的研究方向，Prometheus設(shè)計的供電電路采用兩級能量存儲裝置合理地進行能量存儲，但此電路沒有對太陽能進行最大功率點跟蹤（MPPT），未實現(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為蓄電池供電，但因不能隨時跟蹤MPP而使效率受限。根據(jù)前人的經(jīng)驗，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觀察法、電導增量法：智能控制法中的模糊控制法、滑?？刂品?。這些控制算法有各自的特點，如間接控制算法簡單但是效率低；直接控制法能夠依據(jù)環(huán)境的變化進行最大功率點跟蹤但是跟蹤速度有待提高；智能控制彌補了前面兩種算法的不足，它能夠快速、穩(wěn)定地進行跟蹤，并且算法簡單易實現(xiàn)。

滑?？刂剖且环N十分有價值的控制方法，具有較好的穩(wěn)健性。作為非連續(xù)控制，它具有很強的抗干擾能力并且算法簡單。本文采用此算法結(jié)合模糊控制算法對其自身缺陷做出調(diào)整，調(diào)整后的模糊滑?？刂扑惴▽⒏焖?、穩(wěn)定地實現(xiàn)最大功率實時跟蹤，為節(jié)點增加生命周期。

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。

當太陽能電池直接與負載連接時，太陽能電池輸出曲線和負載曲線相交的點為其工作點，這個點一般與太陽能電池的最大功率點截然不同，從而導致太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率較低。由此，在太陽能電池和負載中間插入一個DC-DC變換器以隨時跟蹤太陽能電池板的MPPT點，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，當影響因素變化時難以平穩(wěn)發(fā)電，因此太陽能供電系統(tǒng)需配備儲能裝置。在陽光充沛時，可以直接為傳感器節(jié)點供電同時將多余的能量存儲起來，晚上或者陰雨天氣，太陽能電池板難以維持節(jié)點的需要，此時將存儲裝置的能量釋放出來滿足負載需求。本文選取鋰電池作為存儲裝置，鋰電池具有能量密度高、壽命長、自放電率低、無污染等優(yōu)點，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體材料制成，當有光照射時，會產(chǎn)生光生電流從而形成太陽能電池，其I-U特性方程如下：

太陽能電池是整個系統(tǒng)最核心的部分，它將光能轉(zhuǎn)化為電能供負載消耗，同時將多余的能量存儲在鋰電池中以備負載的不時之需。太陽能電池是一個非線性系統(tǒng)，它的能量輸出受環(huán)境溫度和光照強度的影響，圖2、圖3分別為不同溫度和光照強度下的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即為最大功率點。由圖3可知，不同光照強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?？刂谱鳛榉沁B續(xù)控制，具有很強的抗干擾能力并且算法簡單，因此得到廣泛的應(yīng)用。但是，滑?？刂埔泊嬖谌毕荩斶\動軌跡到達滑模面時，很難穩(wěn)定滑動，而是穿梭在滑模面兩側(cè)，產(chǎn)生抖振。針對此問題，將模糊控制、滑?？刂平Y(jié)合在一起構(gòu)成模糊滑?？刂埔詼p小滑模抖振，并實現(xiàn)對MPP的快速穩(wěn)定跟蹤。

3.1控制器的設(shè)計

定義太陽能電池理想與實際輸出功率誤差公式：

為證明此算法優(yōu)越性，在光照強度為1000W/m²，溫度為25℃的條件下，將該算法與擾動觀察法進行跟蹤比較，與單獨的滑膜控制進行穩(wěn)態(tài)抖振比較。圖4中系統(tǒng)過渡時間為0.016s，并且響應(yīng)沒有出現(xiàn)抖振和超調(diào)：圖5中系統(tǒng)過渡時間為0.022s，產(chǎn)生了抖振。通過對比可知，模糊滑?？刂扑惴ǜ櫵俣瓤臁⒎€(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?shù)竭_最大功率點系統(tǒng)穩(wěn)定時，該算法比單獨的滑?？刂扑惴ǘ墩竦恼穹?，而且頻率低，所以進一步證明該算法的穩(wěn)定性好，同時能彌補自身存在的抖振。

5結(jié)束語

本文提出的基于模糊滑?？刂频淖畲蠊β庶c算法，通過滑模控制與模糊控制相結(jié)合，不但實現(xiàn)對非線性系統(tǒng)太陽能電池板的有效控制，而且削減了滑?？刂频亩墩瘳F(xiàn)象。模糊滑?？刂戚^擾動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)點的生命周期。