模糊PID算法在光伏電池MPPT中的仿真研究

蔡文皓，李齊齊，李 都

(西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西西安710054)

模糊PID算法在光伏電池MPPT中的仿真研究

蔡文皓，李齊齊，李 都

(西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西西安710054)

為了提高光伏系統(tǒng)的效率，采用最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)技術(shù)能最大程度地將光能轉(zhuǎn)化為電能。模糊控制算法和PID控制算法是構(gòu)造MPPT的有效途徑，結(jié)合兩種算法特點(diǎn)，提出一種模糊參數(shù)自校正PID算法。仿真結(jié)果表明該算法能有效提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，消除系統(tǒng)振蕩，顯著提高了控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能。

光伏系統(tǒng)；MPPT；模糊參數(shù)自校正PID

光伏發(fā)電是太陽能利用領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池的輸出特性受到很多因素的影響，如光伏電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度、所帶負(fù)載等，具有強(qiáng)烈的非線性。在不同的外界條件下，光伏電池都有唯一但不同的最大功率點(diǎn)，為了最大限度地將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，在理論和實(shí)踐上提出了光伏電池的最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)技術(shù)。模糊控制算法和PID控制算法是構(gòu)造MPPT的有效途徑，結(jié)合兩種算法特點(diǎn)，本文提出了一種模糊參數(shù)自校正PID算法。

1 光伏電池的數(shù)學(xué)模型及輸出特性

光伏電池是利用半導(dǎo)體材料的光生伏打效應(yīng)制成的。所謂光生伏打效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料吸收光能后產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象，根據(jù)電子學(xué)理論，太陽電池的等效電路如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路圖

在標(biāo)準(zhǔn)工況下，通過一些近似、化簡及顯化步驟，得到光伏電池的數(shù)學(xué)模型[2]：

光伏電池P-U特性曲線與光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度有關(guān)，當(dāng)光照強(qiáng)度為1 000 W/m2、溫度為25℃時(shí)，其輸出特性曲線如圖2所示，在特定電壓下，其輸出存在唯一最大功率點(diǎn)。

2 改進(jìn)模糊控制算法

2.1 模糊控制原理

模糊控制[3]以模糊集合理論為基礎(chǔ)，特別適用于數(shù)學(xué)模型未知的復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，而光伏系統(tǒng)恰是一個(gè)強(qiáng)非線性系統(tǒng)，因此采用模糊控制的方法來跟蹤太陽電池的最大功率點(diǎn)是非常合適的。

圖2 光伏電池輸出特性曲線

對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行模糊控制需進(jìn)行模糊化、模糊規(guī)則推理、反模糊化三個(gè)步驟。模糊控制系統(tǒng)首先對(duì)光伏電池的電流、電壓進(jìn)行采樣，再由采樣得到的電壓、電流計(jì)算出光伏電池的輸出功率。光伏系統(tǒng)為單輸入、單輸出系統(tǒng)，其輸出變量為工作點(diǎn)電壓的校正量Δ，輸入變量分別為(誤差)，(誤差的變化率)。其中滿足如下兩條規(guī)則：

在模糊控制中，輸入變量也稱為語言變量，常用PB(正大)、PM(正中)、PS(正小)、ZE(零)、NS(負(fù)小)、NM(負(fù)中)、NB(負(fù)大)這7個(gè)說明性的短語來表示這些語言變量特性的語言值。通過將每個(gè)語言值用均勻分布的三角形隸屬度函數(shù)表示來確定輸入變量(或Δ)和輸出變量(Δ)的不同取值與相應(yīng)語言變量之間的隸屬度，所有輸入變量和輸出變量按5級(jí)劃分，分別為PB、PS、ZE、NS、NB，如圖3所示。

圖3 、Δ、Δ的隸屬度函數(shù)

模糊規(guī)則推理運(yùn)算根據(jù)專家知識(shí)制定出的運(yùn)算規(guī)則，將上述得到的模糊量轉(zhuǎn)化為模糊控制輸出量。由光伏電池的輸出特性曲線可知：當(dāng)和異號(hào)時(shí)，工作點(diǎn)向移動(dòng)；當(dāng)和同號(hào)時(shí)，工作點(diǎn)遠(yuǎn)離。根據(jù)和的不同組合，光伏電池的輸出電壓變化值Δ應(yīng)做出相應(yīng)改變，以使系統(tǒng)的工作點(diǎn)向其最大功率點(diǎn)靠近。由MPPT的邏輯控制規(guī)則可以得到系統(tǒng)的模糊規(guī)則推理表。

反模糊化是將用語言變量表達(dá)的模糊量轉(zhuǎn)化為精確的數(shù)值的方法，它的方法有很多，本文使用面積重心法進(jìn)行反模糊判斷，其計(jì)算公式為：

表1 輸出控制規(guī)則檢索表

2.2 改進(jìn)型模糊控制算法

由于PID控制器可以有效消除系統(tǒng)工作中存在的振蕩現(xiàn)象，本文在傳統(tǒng)模糊控制方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，采用模糊參數(shù)自校正PID控制來實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率點(diǎn)追蹤控制。

模糊參數(shù)自校正PID控制[5]結(jié)合了PID控制和模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，能很好地處理系統(tǒng)跟蹤中的速度和精度問題，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

PID控制器的離散表達(dá)式為：

圖4 模糊參數(shù)自校正PID控制原理方框圖

其中：

為了對(duì)PID的參數(shù)進(jìn)行模糊化，先對(duì)其參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，即將其歸一化到[0，1]中，其公式為：

圖5 、的隸屬度函數(shù)

修正系數(shù)α的隸屬度函數(shù)用單點(diǎn)表示，其語言變量取值分別為αS、αSM、αM、αB，大小分別為2、3、4、5，其隸屬度函數(shù)如圖6所示。

圖6 α的隸屬度函數(shù)

3 仿真實(shí)驗(yàn)

在Matlab/Simulink中搭建模糊參數(shù)自校正系統(tǒng)的仿真模型，如圖7所示，仿真電路由光伏電池、Boost升壓電路及負(fù)載組成。其中光伏電池的模型參數(shù)為：開路電壓86.2 V。短路電流4.04 A，最大功率點(diǎn)電壓69.8 V，最大功率點(diǎn)電流3.42 A，標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)為1 000 W/m2，溫度為25℃。

在圖7電路中，分別對(duì)傳統(tǒng)模糊算法和改進(jìn)型模糊算法進(jìn)行仿真研究。實(shí)驗(yàn)設(shè)定環(huán)境溫度為25℃，起始光照強(qiáng)度為800 W/m2，在0.5 s處，光強(qiáng)突變?yōu)? 200 W/m2，仿真時(shí)間為1 s，采用ode23tb算法，仿真結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，傳統(tǒng)模糊控制算法跟蹤到光伏電池最大功率點(diǎn)需時(shí)0.03 s，而模糊自校正PID算法僅需0.01 s即可。并且，在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，后者能更快地跟蹤到最大功率點(diǎn)，即其具有較高快速性，從圖中也易看出后者在光照強(qiáng)度不變時(shí)具有更好的穩(wěn)定性。

圖7 模糊參數(shù)自校正仿真電路模型

圖8 光照強(qiáng)度變化時(shí)的仿真圖形

4 結(jié)語

本文首先分析了傳統(tǒng)模糊控制算法在光伏電池MPPT中的不足，其后在傳統(tǒng)模糊控制算法基礎(chǔ)上結(jié)合PID控制算法在消除振蕩方面的優(yōu)越性提出了模糊自校正PID算法。并在Matlab/Simulink環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果表明：在光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤中，模糊自校正PID算法使系統(tǒng)具有更高的快速性，并能有效消除振蕩。

[1]王長貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2]吳忠軍，劉國海，廖志凌.硅太陽電池工程用數(shù)學(xué)模型參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2007，31(11)：897-901.

[3]謝磊.模糊控制在光伏充電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2006.

[4]張興，曹仁賢.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[5]虞正琦.基于模糊控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

Simulation study of photovoltaic cells MPPT using fuzzy self-tuning PID algorithm

To further improve the efficiency of the photovoltaic system，the maximum power point tracking (MPPT) was used to convert sunlight to electricity largely.Fuzzy control algorithm and PID control algorithm are the effective ways to construct the MPPT.Combined with the characteristics of the two algorithms，a new self-tuning fuzzy PID algorithm was proposed.The simulation results show that the algorithm can effectively improve the response speed and eliminate oscillations of the system.It significantly improves the dynamic and static performance of the control system.

photovoltaic system;MPPT;self-tuning fuzzy PID

TM 615

A

1002-087 X(2016)04-0786-03

2015-09-02

蔡文皓(1957—)，男，江蘇省人，教授，主要研究方向?yàn)殡娏ψ儞Q、電氣傳動(dòng)及可再生能源發(fā)電技術(shù)。