自整定模糊PID算法在微電網MPPT中的應用研究

肖俊明，祝海明，譚 明，劉鵬程，杜迎虎

（1.中原工學院，鄭州450007；2.重慶大學，重慶461000）

自整定模糊PID算法在微電網MPPT中的應用研究

肖俊明1，祝海明1，譚 明2，劉鵬程1，杜迎虎1

（1.中原工學院，鄭州450007；2.重慶大學，重慶461000）

分析了現有光伏電池MPPT控制方法的優點和不足，提出了一種基于自整定模糊PID算法的光伏電池MPPT控制系統.在Matlab／Simulink環境下建立了光伏電池模型和基于自整定模糊PID算法的MPPT控制系統.仿真結果表明：該系統跟蹤速度快、靜態誤差小；當外界環境變化時，能夠迅速準確地作出響應，找到最大功率點；系統在穩定時基本消除了震蕩現象，具有良好的動態和靜態特性.自整定模糊PID控制具有較強的自適應能力和魯棒性.

自整定模糊PID；最大功率點跟蹤；微電網；光伏發電系統；Matlab／Simulink

隨著煤炭、石油、天然氣等不可再生資源的減少，環境和能源問題日益突出，人們逐漸認識到走可持續發展道路的重要性，開始了對可再生資源的深入研究.以分布式發電（DG，Distributed Generation）為能源的微電網技術發展迅速，成為未來電網發展的重要方向.太陽能作為取之不盡、用之不竭的綠色能源，在微電網系統中一直占有很大比重，但光電轉換效率低一直是制約其發展的瓶頸.通過電力電子技術和現代控制技術實現光伏電池一直在最大功率點（MPP）工作，是解決這一問題的有效措施，它能使光伏電池陣列的輸出功率增加15%～36%［1］.

1 微電網系統

微電網概念的提出始于20世紀末.1999年美國電力可靠性技術解決方案協會（CERTS）在微電網的可靠性、經濟性及微電網對環境的影響等方面展開研究.CERTS提出的微電網模型與大電網之間只有一個公共連接點，并且不向大電網輸出電能，所以從系統的角度看，對于大電網而言，微電網是一個單一的可控負載.微電網既可以與配電網互聯運行，也可以獨立運行（稱為孤立運行方式）［2］.當配電網出現故障時，微電網會自動與配電網發生解列，進入獨立運行狀態，從而保證微電網內部用戶的用電可靠性.微電網的這種結構功能特點、控制和保護策略、能量管理方式與常規分布式發電技術都有較大不同，需要進行專門的研究.

2 光伏電池特性及MPPT控制

2.1 光伏電池特性

根據光伏電池的P－N特性［3］，基于光伏電池物理概念可得到光伏電池的等效電路圖，如圖1如示.

圖1 光伏電池等效電路圖

由圖1可得出光伏電池的輸出特性方程［4］：

式中：I、V分別為電池單元的輸出電流和電壓；ILG為光電流；IOS為光伏電池的暗飽和電流；K1為溫度系數；λ為日照強度；ISCR為標準測試條件下光伏電池的短路電流；A為二極管因子；K為波爾茲曼常數；T為開氏溫度；q為電荷電量.

開路電壓為：

光伏電池陣列的輸出特性方程為：

其中，np、ns分別為光伏電池陣列中的并聯和串聯個數.

光伏陣列的暗飽和電流為：

從式（1）和式（2）可以看出：P（光伏陣列的輸出功率）是S（光照強度）和T（溫度）的非線性函數，它在S和T一定時，存在一個唯一的最大值.圖2、圖3所示為不同光照強度下的U－I特性曲線和不同溫度下的P－V特性曲線.

圖2 不同光照強度下的光伏電池U－I特性曲線

2.2 光伏電池MPPT控制

擾動觀察法是現在比較流行的MPPT控制方法，它具有較高的轉換效率.但這種方法中MPPT電路功率開關的占空比變化量△D是個定值（D為PWM控制的占空比）.這樣會導致：當△D較大時，系統控制速度較快，但在MPP點附近系統波動較大，影響系統的穩定性及光電轉換效率；當△D較小時，系統能在MPP點附近保持穩定并波動較小，但對外界條件變化的響應速度明顯較慢.

本文提供的方法是將自整定模糊PID控制應用到擾動觀察法中，通過負載的功率變化來直接調節占空比變化量△D的大小以實現MPPT控制.圖4所示為P－D關系示意圖.當dP／dD＝0時，輸出功率達到最大功率點.用自整定模糊PID控制來調節唯一變量△D，能使控制過程簡化，在提高效率的同時降低成本.

圖3 不同溫度下的P－V特性曲線

圖4 P－D關系示意圖

3 自整定模糊PID控制器的設計

3.1 模糊PID控制原理

模糊PID控制也稱自整定模糊PID控制.其工作原理是：在常規PID控制的基礎上，采用模糊控制邏輯推理方法來調整PID控制算法中的參數；但經過模糊推理得到的結果不是直接作為系統的輸出，而是用該結果來整定PID控制的參數，再根據PID算法控制系統的輸出.

對于光伏系統而言，由于輸出功率受光照強度、光伏電池溫度、負載等外界因素的影響較大，其工作情況也很難用精確的數學模型描述.將模糊控制應用到光伏電池的 MPPT 控制中，能取得不錯的效果［5－6］.但由于模糊控制本身的自尋優特性，單一的模糊控制只能使系統在最大功率點附近來回擺動，即出現振蕩現象.而傳統的PID控制易于實現，并且能有效消除系統在靜態工作點振蕩的現象.因此本文采用基于自整定模糊PID算法的MPPT控制，能夠處理好控制精度和控制速度這一對矛盾，使光伏電池能在環境發生變化時快速跟蹤到最大功率點的變化，并使光伏系統始終工作在最大功率點上，消除系統在最大功率點附近的振蕩現象，實現優化控制的作用.

3.2 自整定模糊PID控制的參數整定

自整定模糊PID控制算法的原理如圖5所示.

圖5 自整定模糊PID控制算法的原理圖

3.2.1 PID控制的參數整定

自整定模糊PID控制算法是利用模糊控制算法來優化傳統PID控制.其核心技術就是優化傳統PID控制參數.

常規PID控制的控制算式為：

在PID參數整定時，必須考慮到不同時刻比例系數Kp、積分系數Ki、微分系數Kd這3個參數的作用以及它們之間的耦合關系.針對不同的誤差E和誤差變化量ΔE，參數整定原則如下［7］：

（1）當E較小時，應取較大的Kp和Ki以及適當的Kd，避免系統在平衡點附近出現振蕩，使系統具有良好的穩態性能.

（2）當E中等大小時，應取較小的Kp及適當的Ki和Kd，使系統具有較小的超調量.

（3）當E較大時，應取較大的Kp和較小的Kd，使系統響應加快.

3.2.2 模糊控制器的構建

根據以上分析，構建二輸入、三輸出的模糊控制器，如圖6所示.以誤差E和誤差變化量ΔE作為輸入，PID控制的3個參數Kp、Ki、Kd作為輸出.當E為0時，系統工作在最大功率點上.

圖6 模糊控制器

同樣，設定輸出 Kp、Ki、Kd的模糊子集為｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝，并且參數的模糊子集都服從三角分布.

由此得到各模糊子集的隸屬函數.圖7所示為輸入變量E的隸屬函數.其他參數的隸屬函數和E的一樣.

圖7 各模糊子集的隸屬函數

其中控制器中各參數的論域如下：

E：［－10，10］；

ΔE：［－5，5］；

Kp：［－15，15］；

Ki：［－0.1，0.1］；

先由一名英語專業的碩士將原量表翻譯成中文，經過相關領域學者的多輪討論，修改其中措辭晦澀的條目，在保證與原義相符的條件下，盡量通俗易懂。隨后由一名英語專業的碩士回譯量表，與原量表進行比較，以確保含義接近。最終確定量表的題目后，于專業的在線問卷平臺“問卷星”上投放。

Kd：［－1.5，1.5］.

根據光伏電池輸出特性曲線和PID參數整定原則，得到PID控制的3個參數Kp、Ki、Kd的模糊控制表，如表1所示.

表1 PID參數的模糊控制表

根據表1整理出49模糊控制規則：

（1）If（Eis NB）and（ΔEis NB）then（Kpis PB）（Kiis NB）（Kdis PS）

（2）If（Eis NB）and（ΔEis NM）then（Kpis PB）（Kiis NB）（Kdis NS）

（3）If（Eis NB）and（ΔEis NS）then（Kpis PM）（Kiis NM）（Kdis NB）

……

（49）If（Eis PB）and （ΔEis PB）then （Kpis NB）（Kiis PB）（Kdis PB）

根據這49條模糊控制規則，模糊控制器進行PID控制3個參數Kp、Ki、Kd的自適應調節.在Matlab模糊控制規律觀察器里，所得結果經過重心法解模糊化后，得出相應的輸出結果.

4 仿真實驗

4.1 仿真電路設計

根據光伏陣列數學模型，在Matlab／Simulink環境下建立光伏電池仿真模型.光伏電池模型參數為：開路電壓VOC，440V；短路電流ISC，15.9A；最大輸出電壓Vm，350V；最大輸出電流Im，14.7A.標準環境光照強度S為1 000W／m2，標準溫度T為25℃.建立基于自整定模糊PID算法的光伏電池MPPT控制系統，它的Matlab／Simulink仿真電路圖如圖8所示.

在以上光伏電池MPPT控制系統中，自整定模糊PID算法的仿真控制模型如圖9所示.

圖8 光伏電池MPPT控制電路圖

4.2 仿真結果及分析

在光伏電池MPPT控制模型中，分別用傳統擾動觀察法與自整定模糊PID算法進行仿真實驗.第一組實驗設定環境溫度為30℃不變，在第3s時，系統的光照強度從800W／m2突然升高到1 000W／m2，仿真時間6s，系統仿真結果如圖10所示.第二組實驗設定光照強度為800W／m2不變，在第3s時，系統的環境溫度從25℃突然升高到40℃，仿真時間6s，仿真結果如圖11所示.

從圖10和 圖11可以看出：

圖9 自整定模糊PID控制算法

（1）觀察擾動法和自整定模糊PID算法分別在0.8s（擾動觀察法）和0.3s（自整定模糊PID算法）跟蹤到了最大功率點，而后者能夠更快速地找到最大功率點.

（2）當外界環境發生變化時，自整定模糊PID控制能夠迅速響應外界變化，在0.05s內完成最大功率點的跟蹤.可見，自整定模糊PID控制算法在系統調整速度方面遠遠優于傳統擾動觀察法.

（3）當系統趨于穩定時，從曲線的平滑程度可以看出，擾動觀察法輸出波形在最大功率點上下波動，而自整定模糊PID控制算法在最大功率點基本沒有波動，相當于定值.可見，傳統PID調節對平穩靜態工作點和消除波動有很大作用，體現了模糊PID控制的優點.

5 結 語

本文分析了現有光伏電池MPPT控制方法的優點和不足，提出了一種基于自整定模糊PID算法的光伏電池MPPT控制系統.在Matlab／Simulink環境下建立了光伏電池模型和基于自整定模糊PID算法的MPPT控制系統.仿真結果表明：自整定模糊PID控制系統響應速度快、靜態誤差小；當外界環境變化時，能夠迅速準確地做出響應，找到最大功率點；系統在穩定時基本上消除了震蕩現象，具良好的動態和靜態特性.

［1］ 楊帆，彭宏偉，胡為兵，等.太陽能電池最大功率點跟蹤技術探討［J］.電子器件，2008，31（4）：1081－1084.

［2］ Robert Lasseter，Abbas Akhil，Chris Marnay，et al.White Paper on Integration of Distributed Energy Resources［EB／OL］.［2011－11－15］.http：／／certs.lbl.gov／pdf／50829－app.pdf.

［3］ 任駒，郭文閣，鄭建邦.基于P－N 結的太陽能電池伏安特性的分析與模擬［J］.光子學報，2006，35（2）：171－175.

［4］ 吳海濤，孔娟，夏東偉.基于 Matlab／Simulink的光伏電池建模與仿真［J］.青島大學學報（工程技術版），2006，21（4）：74－77.

［5］ VEERACHARY M，SENJYU T，UWZATO K.Feedforward Maximum Power Point Tracking of PV Systems Using Fuzzy Controller［J］.IEEE Transaction on Power Electronic System，2002，38（3）：969－981.

［6］ WELCH R L，VEN.AYAGAMOORTHY G K.Comparison of Two Optimal Control Strategies for a Grid Independent Photovoltaic System［C］∥.Industry Applications Conference，2006，41st IAS Annua Meeting，Conference Record of the 2006IEEE.Tampa，USA：IEEE，2006：1120－1127.

［7］ 李俊婷，石文蘭，高楠.參數自整定模糊PID在溫度控制中的應用［J］.無線電工程，2007，37（7）：47－49.

Self－tuning Fuzzy PID Algorithm in the Application of the MPPT

XIAO Jun－ming1，ZHU Hai－ming1，TAN Ming2，LIU Peng－cheng1，DU Ying－hu1
（1.Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007；2.Chongqing University，Chongqing 400044，China）

The photovoltaic cell MPPT control method in the strengths and weaknesses is analysed.Based on fuzzy self－tuning PID algorithm of the photovoltaic cell MPPT control system is proposed.In Matlab／Simulink environment model of photovoltaic cells based on self－tuning fuzzy PID algorithm of MPPT control system is established.Simulation results show that：This method has tracking speed，the static error is small，when the external environment changes，responds quickly and accurately finds the MPP，especially when the system is stable and substantially the vibration phenomenon is eliminated，has a good dynamic and static characteristics.Self－tuning fuzzy PID control has a strong adaptive ability and robustness.

self－tuning fuzzy－PID；maximum power point tracking；micro－grid；photovoltaic power system；Matlab／Simulink

TP13

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2011.06.012

1671－6906（2011）06－0057－06

2011－11－21

肖俊明（1960－），男，河南衛輝人，教授.