光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤模糊控制算法研究

鄭文 呂政勛 梁爽 凌梓 劉垚

摘 要：將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤技術(shù)（MPPT），提出模糊自適應(yīng)PID控制器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計步驟，構(gòu)建基于MATLAB的仿真系統(tǒng)圖，仿真結(jié)果證明了模糊控制算法應(yīng)用的有效性，取得了良好的控制性能。

關(guān)鍵詞：最大功率跟蹤技術(shù)（MPPT）；模糊控制；MATLAB

隨著經(jīng)濟與社會的不斷發(fā)展，以太陽能、風(fēng)能等為代表的清潔、可再生能源受到人們廣泛關(guān)注。太陽能擁有其它能源不可比擬的優(yōu)勢，因此開發(fā)和利用太陽能，對于緩解能源危機和環(huán)境污染有著重要的意義。

太陽能發(fā)電分為光熱發(fā)電和光伏發(fā)電，以光伏發(fā)電為主，它是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。由于光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率比較低，為了最大限度地提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，使其功率輸出最大化，需要對光伏電池的最大功率點進行跟蹤。

1 最大功率跟蹤技術(shù)

光伏電池具有非線性的光伏特性，即使光照強度相同，也會由于負(fù)載的不同而輸出不同的功率。為了使太陽能的輸出功率保持在它所能輸出的最大功率狀態(tài)（即最大功率點），然后再使它向負(fù)載供電，需要采用最大功率點跟蹤技術(shù)（Maximum Power Point Tracking，MPPT），以實現(xiàn)充分利用太陽能的目的。

光伏電池的最大功率點是一個時變量，通常采用搜索算法進行最大功率點跟蹤，主要包括擾動觀察法、增量導(dǎo)納法、恒定電壓法等。MPPT通過測量電壓、電流或功率，決定當(dāng)前工作點與最大功率點的位置關(guān)系，控制電流（或電壓）向最大功率點靠近，直到到達最大功率點。MPPT本質(zhì)上是一個尋優(yōu)過程，通過不斷測量和不斷調(diào)整以達到最優(yōu)的過程，不需要建立光伏陣列的精確數(shù)學(xué)模型；日照強度、環(huán)境溫度等環(huán)境因素的變化，不會影響跟蹤效果。通過在運行過程中不斷改變可控參數(shù)的整定值，最后工作在最大功率點。如果將智能控制技術(shù)應(yīng)用于MPPT，例如采用模糊自尋優(yōu)方法，將可以優(yōu)化MPPT算法。文章提出了基于模糊控制的MPPT方法并進行仿真，實現(xiàn)了最大功率跟蹤效果好、響應(yīng)速度快的目標(biāo)。

2 模糊自適應(yīng)PID控制

模糊自適應(yīng)PID控制器是以操作人員手動控制經(jīng)驗總結(jié)出的控制規(guī)則為核心，通過辨識系統(tǒng)當(dāng)前的運行狀態(tài)，經(jīng)過模糊推理、模糊判決、解模糊過程得到控制量以實現(xiàn)對被控對象的在線控制。它能實時調(diào)整PID參數(shù)，在線實現(xiàn)對PID控制器參數(shù)的最優(yōu)調(diào)整，從而讓PID控制具有更強的適應(yīng)性。

2.1 模糊自適應(yīng)PID控制器的基本結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以給定值的誤差e和誤差變化率ec作為輸入，以△Kp、△Ki、△Kd為輸出的模糊自適應(yīng)PID控制器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。模糊自適應(yīng)PID是在PID算法的基礎(chǔ)上，通過計算當(dāng)前系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec，利用模糊控制規(guī)則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表進行參數(shù)調(diào)整。

2.2 模糊自適應(yīng)PID控制器的核心設(shè)計

模糊自適應(yīng)PID的主要思想，是先找出PID各個參數(shù)與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運行中通過不斷檢測e和ec，根據(jù)模糊控制原理來對各個參數(shù)進行在線修改，以滿足對控制參數(shù)的不同要求，使控制對象具有良好的動、靜態(tài)性能。

2.2.1 論域、量化因子和比例因子的選擇

根據(jù)模糊控制器輸入量和輸出量的變化范圍，確定輸入量和輸出量的基本論域；將連續(xù)變化的基本論域進行量化轉(zhuǎn)化為整數(shù)論域。

2.2.2 模糊變量模糊子集的定義

系統(tǒng)輸入輸出語言變量均選取7個語言值，即：NB（負(fù)大），NM（負(fù)中），NS（負(fù)?。?，ZO（零），PS（正?。琍M（正中），PB（正大）。選擇各語言變量論域上用以描述模糊子集的隸屬函數(shù)為正態(tài)分布函數(shù)，從而可以得到各模糊變量的賦值。

2.2.3 模糊控制規(guī)則的建立

模糊控制設(shè)計的核心是總結(jié)工程設(shè)計人員通過學(xué)習(xí)、試驗以及長期經(jīng)驗積累而逐漸形成的技術(shù)知識和操作經(jīng)驗，建立相應(yīng)的模糊規(guī)則表，得到針對△Kp、△Ki、△Kd三個參數(shù)整定的模糊控制表。

2.2.4 建立模糊控制表和模糊控制器的在線工作

采用最大隸屬度法進行模糊判決，將控制量由模糊量變?yōu)榫_量得到模糊控制表。模糊控制表的獲取是在離線狀態(tài)進行的。系統(tǒng)實際運行時，可用先將模糊控制表存入DSP內(nèi)存中，然后編制查表子程序，實現(xiàn)PID參數(shù)的在線調(diào)整。

3 基于模糊控制的MPPT方法研究

基于模糊控制的MPPT，是以功率對電壓或電流的變化及其變化率作為模糊輸入變量，通過模糊化處理，根據(jù)專家經(jīng)驗進行模糊判別。給出調(diào)節(jié)輸出的隸屬度，最后根據(jù)隸屬度函數(shù)進行反模糊化處理得到控制調(diào)節(jié)量，來實現(xiàn)控制最大功率輸出。

將模糊邏輯控制應(yīng)用于光伏電池最大功率點的跟蹤，不需要光伏陣列的精確數(shù)學(xué)模型，達到最大功率點后基本沒有波動，具有較好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。基于MATLAB/SIMULINK的仿真模型如圖2所示。

通過仿真證明，采用模糊PID控制，系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快、調(diào)節(jié)精度提高、穩(wěn)態(tài)性能變好，而且沒有超調(diào)和振蕩?？梢姡瑢⒛：刂萍夹g(shù)應(yīng)用于最大功率點跟蹤控制是可行的。

4 結(jié)束語

模糊控制是當(dāng)今比較通用的一種智能控制方法，其技術(shù)相當(dāng)成熟。課題組將模糊控制運用于光伏系統(tǒng)的最大功率點的跟蹤，提出了模糊自適應(yīng)PID控制器的基本結(jié)構(gòu)以及設(shè)計方法，運用MATLAB中的SIMULINK、模糊邏輯工具箱等進行仿真模擬MPPT控制，結(jié)果表明將模糊控制運用于最大功率點跟蹤是可行的，并具有良好的動、穩(wěn)態(tài)性能。

作者簡介：鄭文（1972-），女，碩士，教授，主要從事電力系統(tǒng)及其自動化方面的研究。