基于模糊控制的非均勻溫度分布下溫差發(fā)電MPPT辦法

摘 "要：溫差發(fā)電系統(tǒng)在非均勻溫度分布環(huán)境下工作時(shí)，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)最大功率點(diǎn)，而在此環(huán)境下傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法追蹤效果差，輸出功率波動(dòng)大。針對此問題，該文先研究溫差發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性，提出一種基于模糊控制的最大功率點(diǎn)追蹤辦法，建立MATLAB/Simulink仿真電路，并在相同環(huán)境下對2種算法進(jìn)行仿真對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明模糊控制算法在非均勻溫度分布環(huán)境下能快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確地追蹤到最大功率點(diǎn)，提高溫差發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率。

關(guān)鍵詞：溫差發(fā)電；模糊控制；最大功率點(diǎn)追蹤；MATLAB；Simulink

中圖分類號：P412.11 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2025）10-0150-04

Abstract： There are many maximum power points in the temperature difference power generation system when it works in non-uniform temperature distribution environment. In order to solve this problem， this paper first studies the output characteristics of temperature difference power generation system， puts forward a Maximum power point tracking method based on fuzzy control， and establishes an MATLAB/Simulink simulation circuit， and simulates and compares the two algorithms in the same environment. Experimental results show that the fuzzy control algorithm can track the maximum power point quickly， smoothly and accurately in a non-uniform temperature distribution environment， and improves the output power of the thermoelectric power generation system.

Keywords： thermoelectric power generation; fuzzy control; maximum power point tracking; MATLAB; Simulink

隨著科技的發(fā)展，人們的生活水平日益提高，但能源的使用和需求也在不斷提高，世界不可再生資源出現(xiàn)緊缺，使用傳統(tǒng)能源對環(huán)境也產(chǎn)生了一定的危害。尋找研發(fā)一種清潔可利用的安全能源來替代傳統(tǒng)能源變得越來越迫切，溫差發(fā)電作為一種清潔能源，有巨大的發(fā)展空間。受材料特性的影響，溫差發(fā)電主要應(yīng)用于航天、醫(yī)療等領(lǐng)域[1]。溫差發(fā)電具有使用壽命長、無噪音產(chǎn)生、其熱源可由工業(yè)廢熱產(chǎn)生，無特定燃料燃燒獲取熱源、不會(huì)釋放溫室氣體，對環(huán)境無害等優(yōu)點(diǎn)，但至今未能大規(guī)模使用是由于其效率低、成本高2個(gè)缺點(diǎn)，溫差發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換效率一般為5%～7%[2]，提高溫差發(fā)電效率才能讓廣泛使用溫差發(fā)電成為現(xiàn)實(shí)。若能提升其發(fā)電效率，對保護(hù)環(huán)境有重要意義。研究溫差發(fā)電對實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》設(shè)定的全球平均氣溫保持在低于工業(yè)革命前水平2%目標(biāo)具有重要意義。

當(dāng)溫差發(fā)電系統(tǒng)（Thermoelectric Generator，TEG）直接連接一個(gè)負(fù)載時(shí)，會(huì)出現(xiàn)阻抗不平衡的[3-5]情況，即TEG的負(fù)載電阻與其內(nèi)電阻不相等，則TEG效率會(huì)進(jìn)一步降低。為了避免這種情況，TEG與最大功率點(diǎn)跟蹤器（Maximum Power Point Tracking，MPPT）一起使用，可參照光伏板[6]的使用方法。MPPT中的擾動(dòng)觀察法（Perturbation and Observation，Pamp;O）是經(jīng)典的太陽能MPPT算法，本研究發(fā)現(xiàn)Pamp;O算法MPPT在外部環(huán)境穩(wěn)定均勻時(shí)的TEG中使用時(shí)能有效實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤，但在非均勻溫度分布環(huán)境下的TEG中使用時(shí)，其輸出功率會(huì)出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，為了抑制這種波動(dòng)，解決溫差發(fā)電在非均勻溫度分布環(huán)境輸出功率不穩(wěn)定的問題，本文先根據(jù)TEG模型，分析其在非均勻溫差環(huán)境下的輸出特性，再提出基于模糊控制MPPT，使阻抗不平衡最小化，提高TEG輸出功率，并通過Simulink進(jìn)行驗(yàn)證。

1 "溫差發(fā)電

1.1 "溫差發(fā)電原理

溫差發(fā)電是根據(jù)塞貝克效應(yīng)發(fā)展而來的新型技術(shù)，一個(gè)溫差發(fā)電系統(tǒng)是由多個(gè)PN結(jié)串聯(lián)組成的，再由陶瓷封裝，如圖1所示[7]，PN結(jié)是由一個(gè)N型、P型半導(dǎo)體材料組成。通常將TEG一端作為冷端連接冷源，一端作為熱端連接熱源，在熱激發(fā)的作用下，其中一種溫差發(fā)電材料的高溫端電子濃度高于另一端濃度，此時(shí)電子朝著低溫端移動(dòng)，由此產(chǎn)生電動(dòng)勢[8]。

1.2 "溫差發(fā)電分布策略

溫差發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中大部分采取集中式分布，既可以節(jié)約成本也便于維修。本文為了研究溫差發(fā)電在非均勻溫度分布情況下的輸出特性，采取4×3矩陣式分布，即4個(gè)TEG系統(tǒng)串聯(lián)組成一個(gè)串聯(lián)模塊，再由3個(gè)串聯(lián)模塊并聯(lián)組成一個(gè)集中式溫差發(fā)電系統(tǒng)。每一個(gè)串聯(lián)模塊所承受的溫度不同，溫度分布情況分別為150、200、250 ℃，其PV曲線如圖2所示，從圖2中可以看到，溫差發(fā)電陣列出現(xiàn)了多個(gè)最大功率點(diǎn)。

2 "模糊控制在最大功率點(diǎn)中的應(yīng)用

2.1 "最大功率追蹤原理

半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)外部溫差保持不變時(shí)，輸出功率隨著負(fù)載的變化而變化，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)阻等于外阻時(shí)得到最大功率點(diǎn)[9]。為了使系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定并工作在最大功率點(diǎn)上，需要跟蹤溫差發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)。在恒定溫差下，溫差發(fā)電的輸出功率隨輸出電壓關(guān)系呈拋物線形狀，如圖3所示。當(dāng)TEG輸出電壓低于最大功率點(diǎn)電壓Umax時(shí)，輸出功率隨輸出電壓的增加而增加，成正比關(guān)系。當(dāng)TEG輸出電壓高于最大功率點(diǎn)電壓Umax時(shí)，輸出功率隨輸出電壓的增大而減小，呈反比關(guān)系。最大功率點(diǎn)追蹤是一個(gè)自尋優(yōu)過程，通過控制輸出端電壓來使系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)[10]。假設(shè)溫差發(fā)電系統(tǒng)為理想電壓源，其內(nèi)阻為RTEG，負(fù)載電阻為RL，電路等效圖如圖4所示，UTEG為輸出電壓，UL/RL為輸出電流，則輸出功率的計(jì)算公式為

對上式進(jìn)行求導(dǎo)得

當(dāng)RTEG=RL時(shí)，P有最大值，當(dāng)電源內(nèi)阻與負(fù)載電阻相等時(shí)，系統(tǒng)輸出最大功率。本文采用PWM（脈沖寬度調(diào)制）波形實(shí)現(xiàn)BOOST電路開關(guān)管通斷的控制，以調(diào)整電阻值的大小實(shí)現(xiàn)負(fù)荷阻值、系統(tǒng)內(nèi)阻之間的匹配，來達(dá)到輸出最大功率的目的[11]。

2.2 "模糊控制MPPT設(shè)計(jì)

模糊控制是一種經(jīng)典智能控制算法，最大的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)，對數(shù)學(xué)模型的精確程度要求不高，只需要積累行業(yè)專家控制設(shè)備的操作經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)來對函數(shù)進(jìn)行模糊化處理[12]。因?yàn)槠湎噍^于傳統(tǒng)控制有著特有的非線性控制特征，所以被廣泛應(yīng)用于非線性運(yùn)算中，算法以模糊控制規(guī)則為基礎(chǔ)，針對非線性控制效果好。模糊控制MPPT控制器仿真模型如圖5所示。

本設(shè)計(jì)模糊控制器采用雙輸入，單輸出模型，在模糊邏輯MPPT算法中，對TEG系統(tǒng)的每個(gè)瞬間t的電壓和電流，計(jì)算有源功率。然后將有功功率與前一時(shí)刻t-1的功率進(jìn)行比較，得到功率的變化ΔP（t）。將實(shí)時(shí)t的電壓與前一時(shí)刻t-1處的電壓進(jìn)行比較，得到電壓變化ΔU（t）。然后，將功率變化除以電壓變化得到誤差E（t），并與之前的誤差E（t）進(jìn)行比較，計(jì)算誤差變化ΔE（t）。再將E（t）和ΔE（t）作為模糊邏輯控制器的輸入，其表達(dá)式如式（3）（4）所示。模糊邏輯MPPT模糊控制輸出量D作為開關(guān)管的占空比。

將模糊控制語言變量分別定義如下

E（t）={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}， （5）

？駐E（t）={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}， （6）

D={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}， （7）

輸入與輸出的初始論域均為

Ｅ（ｔ）＝ΔＥ（ｔ）＝D=[-1，1]，

式中：NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB分別為負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。輸入E（t）、ΔE（t）與輸出變量D選取相同的隸屬度函數(shù)，除NM、NS、ZO、PS、PM選取三角函數(shù)，NB、PB選用梯形函數(shù)，如圖6所示。這樣選取能提高分辨精度，減少誤差，使MPPT能快速穩(wěn)定地對最大功率點(diǎn)進(jìn)行追蹤。

為了能有更好的控制效果，建立模糊控制規(guī)則表，使TEG系統(tǒng)能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤，模糊規(guī)

則表見表1。

3 "實(shí)驗(yàn)及分析

為驗(yàn)證模糊控制MPPT算法的可行性和優(yōu)越性，建立模糊控制仿真模型如圖7所示。分別將擾動(dòng)觀察法和模糊控制法寫入控制模塊作為控制核心，模型中集中式溫差發(fā)電系統(tǒng)分布是按4×4陣列排序，4個(gè)溫差發(fā)電片串聯(lián)再并聯(lián)。冷端溫度為10 ℃，熱端溫度分別為150、200、250和300 ℃，模擬溫度非均勻下的環(huán)境。

擾動(dòng)觀察法和模糊控制的MPPT結(jié)果，如圖8所示。圖8所示的模糊控制與擾動(dòng)觀察法均在0.05 s處跟蹤到最大功率點(diǎn)，模糊控制追蹤功率為1 162.49 W，而擾動(dòng)觀察法追蹤功率為996.554 W，使用模糊控制將效率提高了，模糊控制追蹤效果更平滑，而擾動(dòng)觀察法在追蹤過程中有明顯的波動(dòng)，模糊控制MPPT有效地抑制了MPPT的波動(dòng)。

4 "結(jié)論

本文通過對模糊控制MPPT的仿真實(shí)驗(yàn)研究，得出模糊控制MPPT能在外部環(huán)境溫差分布不均勻的情況下，避免了TEG系統(tǒng)由于外部環(huán)境變化帶來的波動(dòng)，使溫差發(fā)電系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地工作在最大功率點(diǎn)上，且輸出功率波動(dòng)小，系統(tǒng)穩(wěn)定后工作平穩(wěn)，能較好地實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電MPPT，相比擾動(dòng)觀察法提高了16.64%，提高了TEG工作效率。

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