基于模糊控制法的光伏發(fā)電MPPT研究綜述

梁釗健 李彥璋 敖翔 黃恒敬 張克歌

摘 要：在光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)中，模糊算法的應(yīng)用很多。文章就模糊控制法在光伏發(fā)電MPPT領(lǐng)域上的應(yīng)用進(jìn)行了分類和總結(jié)，介紹了常規(guī)的模糊控制法，模糊算法與擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、粒子群算法等方法的配合應(yīng)用，以及模糊算法在更復(fù)雜的光伏電池非對(duì)稱模型下和局部遮擋情況下的應(yīng)用。最后總結(jié)部分對(duì)模糊控制法的進(jìn)一步應(yīng)用進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；最大功率點(diǎn)跟蹤；模糊控制；非對(duì)稱；局部遮擋

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）18-0179-02

根據(jù)光伏電池的特性，光照強(qiáng)度和電池結(jié)溫的變化與光伏陣列的輸出功率有非線性關(guān)系，在特定條件下存在著唯一最大功率輸出點(diǎn)（MPP）。在實(shí)際環(huán)境中，光照強(qiáng)度總是不斷變化，光伏電池應(yīng)根據(jù)不同光照強(qiáng)度獲得最大功率以實(shí)現(xiàn)發(fā)電量的最大化。

1 MPPT原理

不同光照強(qiáng)度和不同電池結(jié)溫下某光伏陣列的輸出特性曲線。作為一種非線性的直流電源，光伏電池會(huì)根據(jù)不同的光照輻射強(qiáng)度和電池結(jié)溫度呈現(xiàn)不同的輸出電壓和輸出電流。顯然，在一定輻照和溫度下，我們總能找到一組電流電壓的組合使光伏陣列的輸出功率最大，即找到最大功率點(diǎn)（MPP）。最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)就是通過利用調(diào)節(jié)變換電路占空比等方法調(diào)節(jié)電壓，從而使光伏陣列在動(dòng)態(tài)的光照強(qiáng)度和電池結(jié)溫條件下實(shí)現(xiàn)輸出功率最大化或近似最大化的技術(shù)。

2 模糊控制法

2.1 基于擾動(dòng)觀察法或占空比擾動(dòng)法的常規(guī)模糊控制法

由于基于P&O;法或占空比擾動(dòng)法的模糊控制法[1]應(yīng)用較廣、提出時(shí)間較早且原理較簡單，本文把這種方法稱為常規(guī)模糊控制法。這種方法根據(jù)模糊算法確定擾動(dòng)步長，當(dāng)功率差值較大時(shí)，采用較大步長追蹤；當(dāng)功率差值較小時(shí)，采用小步長進(jìn)行搜索。常規(guī)模糊控制法可兼顧追蹤速度和精度，呈現(xiàn)良好的穩(wěn)態(tài)性；環(huán)境突然改變?cè)斐勺畲蠊β庶c(diǎn)偏移的情況下，模糊控制器也能實(shí)現(xiàn)追蹤，動(dòng)態(tài)性良好。常規(guī)模糊控制法存在著性能上的缺陷：工作點(diǎn)在MPP附近會(huì)發(fā)生“功率振蕩”。這個(gè)問題相比于P&O;法和占空比擾動(dòng)法已經(jīng)得到大大改善，但仍值得進(jìn)一步優(yōu)化，具體將在第3部分繼續(xù)討論。

2.2 模糊算法與電導(dǎo)增量法的結(jié)合

電導(dǎo)增量法同樣存在著因?yàn)椴介L固定而引起的控制精度與速度不能兼顧的矛盾。對(duì)此，人們提出用模糊控制法與電導(dǎo)增量法相結(jié)合的模式實(shí)現(xiàn)MPPT[2]，以解決精度與速度的矛盾。

在初步尋優(yōu)時(shí)用單輸入單輸出的模糊控制法進(jìn)行MPP粗略追蹤，保證追蹤速度；當(dāng)工作點(diǎn)到達(dá)MPP附近時(shí)切換至小步長或變步長的電導(dǎo)增量法進(jìn)行追蹤，保證追蹤精度?；蛘撸扔么蟛介L的電導(dǎo)增量法進(jìn)行初步尋優(yōu)，確保跟蹤速度；當(dāng)工作點(diǎn)進(jìn)入最大功率點(diǎn)右側(cè)時(shí)，用模糊控制法進(jìn)行追蹤，減少最大功率點(diǎn)附近的功率振蕩。

上述方法都是對(duì)模糊控制法和電導(dǎo)增量法取長補(bǔ)短進(jìn)行耦合，結(jié)構(gòu)不算太復(fù)雜，相比于單一模糊控制算法和單一的電導(dǎo)增量法，有更好的跟蹤速度、穩(wěn)定性和魯棒性，是實(shí)現(xiàn)MPPT的較好方法。

2.3 模糊算法和神經(jīng)算法結(jié)合

基于模糊控制的MPPT算法反應(yīng)迅速，魯棒性強(qiáng)，但其模糊控制規(guī)則和隸屬函數(shù)的確定更多依靠人們的經(jīng)驗(yàn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法學(xué)習(xí)能力強(qiáng)，可彌補(bǔ)模糊控制的不足。不少研究把兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)MPPT，目前結(jié)合的方法主要有兩種[3，4]：一是，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)模糊控制規(guī)則的生成和隸屬函數(shù)的修改，在線自適應(yīng)調(diào)整，大大提高算法的適用性。二是，先用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測最大功率點(diǎn)處電壓Vmpp，并以此作為模糊控制的依據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)MPPT。

除了以上兩種主要的方法外，文獻(xiàn)[5]針對(duì)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)MPPT在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)因數(shù)據(jù)過多出現(xiàn)“規(guī)則爆炸”、收斂速度慢的問題，設(shè)計(jì)了一種新方法。先對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)模糊聚類后，提取模糊控制規(guī)則，確定隸屬函數(shù)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練生成模糊推理系統(tǒng)，最后根據(jù)生成的模糊推理系統(tǒng)對(duì)變步長電導(dǎo)增量法的步長進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)MPPT。該方法更完善，但結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)。

3 考慮非對(duì)稱情況的模糊控制法

光伏電池的輸出特性曲線在MPP兩側(cè)完全不對(duì)稱。大多模糊控制器設(shè)計(jì)時(shí)并沒有考慮這個(gè)問題，采用了對(duì)稱的三角形隸屬度函數(shù)對(duì)步長進(jìn)行控制。顯然，關(guān)于MPP對(duì)稱的擾動(dòng)步長難以對(duì)非對(duì)稱的輸出特性實(shí)現(xiàn)精確控制，這使得系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近存在功率波動(dòng)以及精度、穩(wěn)定性下降。

對(duì)此，文獻(xiàn)[6]對(duì)模糊控制器的輸入量改用非對(duì)稱隸屬度函數(shù)以適應(yīng)光伏電池P-U輸出特性曲線在MPP兩側(cè)不對(duì)稱的特性。但僅僅改進(jìn)隸屬度函數(shù)帶來的效果不足以令人滿意。于是，當(dāng)工作點(diǎn)穩(wěn)定在MPP附近時(shí)，往往加入積分控制環(huán)節(jié)，即改用PID或PI控制器進(jìn)行控制。這樣雖稍微降低控制速度，卻大大提高了控制精度和削弱“功率振蕩”現(xiàn)象。

關(guān)于非對(duì)稱情況還有一種較有效方法[7]。原理如圖1，利用模糊控制對(duì)PID參數(shù)Kp、Kd、Ki實(shí)時(shí)調(diào)整。模糊規(guī)則為：（A）當(dāng)偏差絕對(duì)值|e|較大時(shí)，比例因子Kp大一些，微分因子Kd小一些，以保證較好跟蹤性能；（B）偏差絕對(duì)值|e|及偏差微分的絕對(duì)值|ec|大小中等時(shí)，Kp、Kd、Ki取值小一些，以保證響應(yīng)速度；（C）偏差絕對(duì)值|e|較小時(shí)，Kp和K取大些，以保證穩(wěn)態(tài)性能。通過PID調(diào)節(jié)器對(duì)BOOST電路的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種方法有良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，很好地消除了“功率振蕩”現(xiàn)象。

4 多峰值情況下的模糊控制法

實(shí)際情況中，光伏系統(tǒng)（尤其是大型的光伏系統(tǒng)）會(huì)出現(xiàn)局部遮擋情況，使光伏電池特性曲線由單峰值（曲線m）變?yōu)槎喾逯担ㄇ€n）。一般MPPT方法都是按單峰情況設(shè)計(jì)的，所以容易陷入局部最大值而非全局最大值的跟蹤。若系統(tǒng)內(nèi)部僅有10%的陣列面積受到陰影遮擋而無法同時(shí)達(dá)到最大功率點(diǎn)時(shí)，其功率就會(huì)下降50%。為此，研究適用于多峰情況的MPPT策略很有必要。以下為目前的相關(guān)策略。

文獻(xiàn)[8]采用模糊控制器優(yōu)化粒子群算法的慣性權(quán)重，能根據(jù)光照強(qiáng)度實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)值實(shí)現(xiàn)MPPT，避免陷入局部最優(yōu)值；文獻(xiàn)[9]利用粒子群算法找到真正的MPP獲得初始占空比擾動(dòng)量，再利用模糊控制法對(duì)初始占空比擾動(dòng)量進(jìn)行精確的尋優(yōu)。利用模糊算法對(duì)粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化，可以在保證全局尋優(yōu)能力的同時(shí)，改善追蹤精度和速度。

此外，還有其它改進(jìn)過的模糊控制法適用于局部遮擋情況，一般都用二次追蹤的方法避免陷入局部峰值。文獻(xiàn)[10]通過電流電7壓的變化檢測到局部遮擋發(fā)生時(shí)，對(duì)工作點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)以跳出局部最優(yōu)值，再用模糊控制法重新追蹤MPP。這種方法簡單有效，但在動(dòng)態(tài)性、穩(wěn)定性和精度方面仍需改進(jìn)。

多峰問題復(fù)雜的非線性使得人們很難使MPPT方法變得結(jié)構(gòu)簡單且性能優(yōu)異，這方面的研究仍不夠成熟。

5 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了模糊算法在MPPT上的應(yīng)用?；赑&O;或占空比擾動(dòng)法的模糊控制法是最常規(guī)的應(yīng)用，各方面都比較令人滿意，比較實(shí)用；與電導(dǎo)增量法相結(jié)合的模糊控制法在追蹤效果方面更加精確，是不錯(cuò)的MPPT方法；模糊算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法相結(jié)合雖然可以取得十分高的控制精度，控制效果比較令人滿意，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需耗大量時(shí)間進(jìn)行訓(xùn)練。

隨著研究的深入，一些實(shí)際情況不容忽視，包括光伏電池非對(duì)稱特性和多峰值情況。這方面已有不少算法被提出，實(shí)現(xiàn)了良好的控制性能，但很多算法因其自身設(shè)計(jì)太繁雜，難以投入實(shí)際應(yīng)用。算法簡化和實(shí)用性依是重要研究方向。針對(duì)多峰值問題，全局搜索能力顯著的粒子群算法與局部搜索能力突出的模糊算法相結(jié)合效果較佳，是一個(gè)值得深入的課題。

模糊控制把優(yōu)良的跟蹤速度、跟蹤精度、動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)定性，以及對(duì)外界參數(shù)不敏感等等優(yōu)點(diǎn)集于一身，但有一個(gè)不可避免的問題：建立模糊規(guī)則和分配權(quán)重需依靠專家經(jīng)驗(yàn)。在光伏系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，不同機(jī)組參數(shù)和不同地方氣候環(huán)境存在差異，專家經(jīng)驗(yàn)相對(duì)稀缺。這導(dǎo)致了一些性能優(yōu)異的模糊控制器只適用于某些特定的機(jī)組和環(huán)境而走不上生產(chǎn)線，所以在設(shè)計(jì)和研究基于模糊控制的MPPT方法時(shí)要重點(diǎn)考慮其實(shí)用性和普適性。研究適用性更廣的模糊規(guī)則和權(quán)重，既保留模糊控制的優(yōu)良性能，又適應(yīng)不同機(jī)組的參數(shù)和地區(qū)氣候；或者，尋求一種智能的方法代替專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)權(quán)重進(jìn)行合理分配，都是比較值得研究的方向?？梢灶A(yù)見，將來一定會(huì)有更多基于模糊算法的優(yōu)秀MPPT方法出現(xiàn)在我們的視野中。

參考文獻(xiàn)

[1]徐曉淳，劉春生，李鋒.光伏系統(tǒng)MPPT的改進(jìn)模糊控制[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2014，26（09）：81-84.

[2]張翔，王時(shí)勝，余運(yùn)俊.模糊控制法與電導(dǎo)增量法結(jié)合的MPPT算法研究[J].電源技術(shù)，2014，38（12）：2396-2398+2420.

[3]楊旭，曾成碧，陳賓.基于廣義動(dòng)態(tài)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光伏電池MPPT控制[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（13）：22-25.

[4]鄭曉斌.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID技術(shù)在光伏系統(tǒng)MPPT控制器中的應(yīng)用[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，38（01）：102-106+111.

[5]郭鵬，孫建起，劉振永，等.基于模糊聚類和自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理的MPPT研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（14）：154-157.

[6]楊旭，曾成碧，陳賓.基于廣義動(dòng)態(tài)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光伏電池MPPT控制[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（13）：22-25.

[7]Lu C， Zhang J. Design and simulation of a fuzzy-PID composite parameters' controller with MATLAB[C]//International Conference on Computer Design and Applications.IEEE，2010：V4-308-V4-311.

[8]李繼生，李金羽，游國棟，等.光伏系統(tǒng)模糊PSO的MPPT控制[J].天津科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，30（01）：73-77.

[9]趙興勇，張學(xué)軍，任亮.局部陰影下多峰值光伏陣列MPPT優(yōu)化控制策略[C]// 中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)年會(huì)，2014.

[10]Farhat M， Barambones O， Sbita L. Efficiency optimization of a DSP-based standalone PV system using a stable single input fuzzy logic controller[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews，2015，49：907-920.