基于自適應模糊PID算法的光伏系統MPPT控制

摘 要: 為進一步提高光伏發電系統MPPT控制品質，對常規模糊跟蹤算法進行了改進，提出自適應模糊PID雙模控制策略，分析了控制算法的原理，并對控制系統做了設計。實驗結果顯示，自適應算法能迅速感知外界環境變化，快速跟蹤光伏電池最大功率點，具有良好的魯棒性，同時引入的PID控制能有效消除最大功率點附近的振蕩現象，提高系統穩定性。整個雙模控制實現了MPPT精確性與快速性的兼備。關鍵詞:光伏發電; MPPT; 自適應模糊控制; PID; 雙模控制

中圖分類號:TN919-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)22-0181-03

MPPT Strategy of PV System Based on Adaptive Fuzzy PID Algorithm

SUN Xiao-ling，HUI Jing

(Jiangnan University，Wuxi 214122，China)

Abstract: To further improve the control quality of photovoltaic generation MPPT systems， dual-mode adaptive fuzzy PID control strategy is proposed on the basis of conventional fuzzy tracking algorithm， the principle of control algorithm is analyzed and the control system is designed. The results show that dual-mode control algorithms can quickly sense the changes of the external environment， and track the maximum power point rapidly. At the same time， oscillation phenomenon near the MPP is eliminated effectively. The total MPPT system represents good stability， accuracy and rapidity.Keywords: photovoltaic generation; MPPT; adaptive fuzzy control; PID; dual-mode control

0 引 言

太陽能作為一種潔凈的可再生能源得到了持續的發展和利用，光伏發電作為利用太陽能的主要方式之一受到了越來越多的關注。光伏電池的輸出特性受外界環境的影響大，電池表面溫度和日照強度的變化都可以導致輸出特性發生較大的變化，使得光伏電池的轉換效率較低。目前單晶硅電池的轉換效率一般為12%~18%;多晶硅的轉換效率也只有12%~17%，因此一種高效的最大功率跟蹤MPPT控制算法對于提高光伏系統的效率，乃至整個光伏發電產業具有重要的意義。

傳統的MPPT控制算法，如擾動觀察法(俗稱爬山法)和電導增量法都具有算法簡單，容易實現的優點，但也存在最大功率點來回震蕩，導致功率損失，對外界環境適應性較差，系統的魯棒性低等缺點[1-2]。

針對傳統MPPT控制算法存在的問題，同時借鑒文獻[3-5]中各控制算法的優缺點，提出了自適應模糊PID雙模控制策略，詳細介紹了算法原理，建立了系統模型。實驗結果表明，該雙模控制算法能顯著減少常規模糊控制在最大功率點附近的震蕩，提高系統穩定性，同時引入的自適應控制，增強了模糊PID控制算法的環境自適應能力，具有良好的魯棒性和控制精度，實現了控制系統快速性與精確性的統一。

1 光伏發電系統MPPT控制

太陽能光伏發電系統是利用光伏電池半導體材料的光伏效應，將太陽光輻射能直接轉換為電能的一種發電系統。光伏電池的輸出功率存在最大功率點Pm=ImVm，而光伏電池的最大輸出功率是隨外界環境變化而改變的，為提高光伏電池的轉換效率需采用最大功率點跟蹤。

最大功率點跟蹤的過程實質上是一個自尋優過程。爬山法和電導增量法是目前實現MPPT控制的常用方法，前者結構簡單，擾動參數少，有比較好的跟蹤效率，但跟蹤時波動較大，導致功率損失;后者能快速跟蹤光強變化引起的最大功率點變化，有較好的跟蹤效果，但硬件實現難度較大。模糊邏輯控制不需要調制輸出電壓，從而避免了部分功率損失，但其控制規則無法根據外部環境的變化而進行修正，自整定參數使系統穩定在最大功率點。針對這些控制方法的優缺點，在此結合模糊控制和經典PID控制，提出了精確性與快速性兼備的自適應模糊PID控制算法。

2 自適應模糊PID控制的原理

為了彌補常規模糊控制規則粗糙不夠完善的缺點，提出具有系統參數在線自校正的自適應模糊控制技術，依靠實時數據信息實現模糊控制規則在控制過程中的自動調整和完善，達到良好的精度要求，同時為了減小輸出功率在最大功率點附近仍有振蕩，減少系統的波動和能量損失，引入傳統PID控制方法。利用自適應模糊控制的自校正特性，并結合傳統的PID控制的快速性與穩定性，構造自適應模糊PID控制器[2]，實現控制器參數的自動整定，有效消除光伏電池輸出功率在最大功率點的振蕩，減少能量損失，提高能量轉換效率。

自適應模糊PID雙模控制的工作原理如圖1，先根據采集到的太陽能電壓、電流值及功率值來判斷其運行在哪個工作區，然后根據不同的工作區采取不同的工作指令進行跟蹤控制。在大偏差范圍內采用模糊自適應控制進行快速響應調整，在小偏差范圍內的精度調整采用常規PID控制，通過開關函數k(ep)來決定2種控制方式之間的切換。k1，k2是設定的自適應模糊控制器和PID控制器的轉換開關，其值的選取要根據不同的環境條件和現場經驗決定。當滿足k1<ΔP/ΔD

圖1 自適應模糊PID雙模控制原理圖

3 算法設計

在光伏系統中，最大功率點的跟蹤速度和跟蹤精度是控制系統的關鍵因素，這些因素與系統調節的步長有直接關系。當系統的工作點遠離最大功率點時，必須加快跟蹤速度，即加大調節的步長;當系統的工作點在最大功率點附近時，為了維護系統的跟蹤精度和穩定性，必須適當減小調節步長，避免系統來回振蕩。

3.1 自適應模糊控制器的設計

根據光伏系統的特點，選擇三角形作為初始模糊控制器隸屬度函數的形狀，并且曲線距離原點越近(誤差越小)，曲線越陡(分辨率越高);曲線距離原點越遠，曲線越緩。根據光伏電池的特性可以得出，離最大功率點較遠處，采用較大步長以加快跟蹤速度，離最大功率點附近，采用較小步長，以減少搜索損失[6]。當溫度、日照強度等因素發生變化，導致光伏系統的功率發生較大變化時，系統需要迅速做出反應。自適應模糊控制器的2個輸入分別是誤差e和誤差變化Δe，輸出為MPPT電路中開關器件占空比的改變量ΔD。

e(k)=p(k)-p(k-1)v(k)-v(k-1)，Δe(k)=e(k)-e(k-1)(1)

自適應模糊控制器是在模糊控制的基礎上增加3個功能塊，分別為性能計算(辨識裝置)、決策機構、控制規則修正機構，如圖2所示。

圖2 自適應模糊控制系統框圖

辨識裝置每次采樣的實際響應可通過監測e(kT)和Δe(kT)得出，將實際響應和希望響應相比較，大概表明需要校正的輸出量。具體實現時，要從性能度量判定表查出。表1中的數據給出了希望響應集合，零元素值表示該狀態不需要校正，非零元素值不僅考慮了偏離設定值的距離，而且還考慮了趨向設定值和離開設定值的速度控制量校正。通過上述性能測量得到了光伏系統達到最大功率點所需的輸出響應校正量。為了實現自適應控制， 需將輸出響應的校正量轉換為控制量的校正量。根據控制對象的特性，建立一個增量模型，即根據控制系統輸出對輸入的Jacobian矩陣J，求出對象的增量模型M=TJ，M為對象狀態的函數。輸入校正量Δu(kT)=M-1Δy(kT)。修正機構利用得到的控制輸入校正量來修改控制規則，以改善控制性能。假定在第d次采樣中，由于外界環境的變換使系統的工作點偏離MPP，則此時誤差、誤差變化率及控制量輸入分別為e(kT-dT)，Δe(kT-dT)，u(kT-dT)。根據控制校正量的計算結果，控制輸入應取v(kT-dT)=u(kT-dT)+Δu(kT)。為了得到修正策略，針對相應論域的這些量構造對應的模糊子集，用新的蘊涵[7]E(kT-dT)→E.(kT-dT)→V(kT-dT)代替舊的蘊涵E(kT-dT)→E.(kT-dT)→U(kT-dT)。此時校正后的模糊規則為:

If e(kT-dT) is E(kT-dT)

and Δe(kT-dT) is E.(kT-dT)

Then u(kT-dT) is V(kT-dT)

3.2 自適應模糊PID雙模控制

自適應模糊控制算法較常規模糊控制具有良好的精度與自調整能力，但是最大功率點附近震蕩的問題依然沒有得到很好的解決，造成較大的能量損失，影響整個系統的穩定性和轉換效率。為了解決此問題，在模糊控制的基礎上，引入穩定性和快速性良好的PID 控制，由開關函數k(ep)來決定進行2種控制方式之間的切換。綜合智能算法及經典算法的優點，達到了良好的控制效果。

表1 性能量度判定

e

Δe

趨向最大功率點離開最大功率點-6-5-4-3-2-1-0+0+1+2+3+4+5+6

最大功率點左側-601222266666666-500133355555566-400033354455556-300022143445556-200001132334455-100000121223345-000000000001234

最大功率點右側

+00000000000-1-2-3-4

+10000-1-1-2-1-2-2-2-3-3-4

+20000-2-3-4-4-4-4-5-5-5-6

+3000-1-2-3-4-4-5-5-5-5-5-6

+4000-3-3-3-4-4-4-5-5-5-5-6

+5000-3-3-3-5-5-5-5-5-5-6-6

+600-1-2-2-3-5-6-6-6-6-6-6-6

4 實驗結果

實驗裝置由光伏電池模塊、Boost 電路、自適應模糊PID 控制器構成。光伏模塊參數:峰值功率pmp為9 W，開路電壓VOC為21 V，短路電流ISC為0.6 A;峰值電壓Vmp為16.8 V;峰值電流Imp為0.54 A;NOCT(normal cell operating temperature)太陽能電池的工作溫度Tnoct為50 ℃。控制系統的核心是自適應模糊PID 控制器，它由TI公司的TMS320LF2812DSP控制器實現。光伏模塊的輸出電壓和輸出電流信號經檢測后送到控制器，控制器對電壓、電流信號進行處理，最后得到Boost電路主開關占空比的調節量，從而控制開關的變化，這個過程反復進行，直到系統工作在MPP[8]。

圖3 光伏系統電路原理圖

由圖4實驗結果的分析可得，改進的雙模控制算法能有效改善單純自適應模糊算法在最大功率點的震蕩，提高轉換效率，從而增大光伏發電系統的功率輸出。

5 結 語

綜合MPPT控制中自適應模糊控制和傳統PID控制的優缺點，提出模糊自適應PID雙模控制算法。通過實驗結果分析可得，該控制算法能有效改善系統在最大功率點附近的震蕩現象，減少功率損失，提高光伏電池轉換效率，在光照強度突變的情況下，系統也能快速找到新的最大功率點，保持系統穩定，提高光伏系統MPPT控制的魯棒性和精確性，同時增強了跟蹤系統的穩定性。

圖4 實驗結果比較

參考文獻

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