基于數(shù)字PID控制的光伏MPPT研究

摘 要 介紹光伏電池的輸出特性及最大功率點跟蹤技術(shù)的基本原理，針對光伏電池的特點，提出一種采用數(shù)字PID控制實現(xiàn)光伏系統(tǒng)最大功率點跟蹤（MPPT）控制的方法，它能快速響應(yīng)外界環(huán)境的變化，使光伏系統(tǒng)始終工作在最大功率點。仿真和實驗結(jié)果證明，該系統(tǒng)具有魯棒性和快速響應(yīng)等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞 光伏電池；MPPT；PID控制

中圖分類號：TM914.4 文獻標識碼：B 文章編號：1671-489X(2012)09-0098-03

Study of MPPT based on Fuzzy Parameters Self-Tuning Digital PID Control//Wu Mao

Abstract Output characteristic of the solar cell and the principle of Maximum Power Point Tracker are introduced. Based on the feature of the solar cell energy， digital PID controller is proposed to realize its MPPT (Maximum Power Point Tracking). Photovoltaic energy generation system can track the maximum power of PV cell rapidly by using digital PID. Simulation and experimental results show that the system has the robustness and the advantages of rapid response.

Key words photovoltaic cell; MPPT; PID control

Author’s address Foshan University， Foshan， Guangdong， China 528000

近二三十年來，太陽能光伏（Photovoltaic，PV）發(fā)電技術(shù)得到持續(xù)發(fā)展，光伏發(fā)電已經(jīng)成為利用太陽能主要方式之一。太陽能作為可再生的綠色能源，具有“取之不盡、用之不竭”、清潔、環(huán)保等優(yōu)點，在未來的供電系統(tǒng)中將占有重要的地位。開展太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的研究，對于緩解能源和環(huán)境問題，開拓廣闊的光伏發(fā)電市場，具有重大的理論和現(xiàn)實意義。研究發(fā)現(xiàn)，太陽能發(fā)電效率較低成為當前影響其發(fā)展的因素之一。如何提高太陽能轉(zhuǎn)換效率，降低系統(tǒng)造價，這是近些年的熱點。最大功率跟蹤（MPPT）技術(shù)就是針對提高太陽能電池發(fā)電效率進行研究的。本文采用數(shù)字PID控制方法，實現(xiàn)太陽能最大功率跟蹤，結(jié)果表明此方法能夠?qū)崿F(xiàn)較好的控制性能。

1 光伏電池的特性及MPPT原理

1.1 光伏電池的數(shù)學(xué)模型

光伏電池利用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)制成，光伏電池組件的特性隨太陽輻照度和電池溫度而變化，即。根據(jù)電子學(xué)理論，光伏電池對應(yīng)的函數(shù)為。

其中：，，

，（式中為在參考日照下，電流變化溫度系數(shù)，Amps/℃；為在參考溫度下，電壓變化溫度系數(shù)，V/℃；為光伏電池的串聯(lián)電阻，為短路電流，為開路電壓，、為最大功率點對應(yīng)的電壓和電流）。

光伏電池是一種非線性直流源，在不同光照強度和不同電池結(jié)溫下光伏陣列輸出特性曲線是不同的。當外界自然條件改變時，光伏陣列輸出特性將隨之改變，其輸出功率及最大功率點亦相應(yīng)改變。太陽能電池特性曲線如圖1所示。對于光伏電池輸出功率有。將兩端對U求導(dǎo)，并將I作為U的函數(shù)，可得。

從圖1可知，當＞0時，U小于最大功率點電壓；當時，U大于最大功率點電壓；當，U即為最大功率點電壓。即有：

，

，

。

1.2 Buck電路實現(xiàn)MPPT的原理

數(shù)字控制器主要實現(xiàn)光伏電池對蓄電池的充電，由于受到蓄電池過充電壓的限制，本系統(tǒng)采用具有降壓調(diào)節(jié)功能的Buck型變換器，它具有效率高、體積小的優(yōu)點，如圖2所示。

在光伏系統(tǒng)中，為了尋求阻尼的最佳匹配，通常是通過控制PWM的占空比來實現(xiàn)光伏電池輸出功率的最大化。

2 MPPT數(shù)字PID控制器設(shè)計

數(shù)字PID控制器的控制算式為：

為了便于計算機編寫程序，將上式變?yōu)椋?/p>

式中是數(shù)字PID控制器的輸入；為第k個采樣時刻的偏差值；是第k個采樣時刻數(shù)字PID控制器的輸出；T為采樣周期；為積分系數(shù)，；為微分系數(shù)，。

數(shù)字PID控制算法的增量式為：

。

圖3為光伏系統(tǒng)的輸出功率P和PWM占空比D關(guān)系的示意圖，當dP/dD=0時，輸出功率達到最大[1]。根據(jù)圖3，取占空比D為數(shù)字PID控制器的控制量，為偏差信號，根據(jù)圖2和圖3尋找最大功率點的過程得到和的關(guān)系。

1），若，此時在最大功率點左側(cè)，占空比應(yīng)繼續(xù)增大，即；若，此時在最大功率點右側(cè)，占空比應(yīng)減小，即。

2），若，此時在最大功率點左側(cè)，占空比應(yīng)繼續(xù)減小，即；若，此時在最大功率點右側(cè)，占空比應(yīng)增大，即。

根據(jù)上述分析可知，時，輸出功率和占空比同方向改變；時，輸出功率和占空比反方向改變。根據(jù)的情況可以設(shè)計增量式數(shù)字PID控制器為：

當時，

；

當時，

。

3 仿真結(jié)果分析

系統(tǒng)運用MATLAB中的SIMULINK模塊進行仿真，太陽能電池模型參數(shù)設(shè)置：開路電壓V，短路電流A，輸出最大功率時對應(yīng)電壓和電流分別為V，Imp=3.5 A，太陽能電池串聯(lián)內(nèi)阻 Ω；在參考日照下，電流變化溫度系數(shù)（Amps/℃）；在參考溫度下，電壓變化系數(shù)（V/℃），參考溫度℃。取圖2中的 μF，mH。光伏電池表面溫度25 ℃，模擬日照強度在第2s時從800 W/m2突然降到600 W/m2、第4s時從600 W/m2突然增到1 000 W/m2的光伏電池輸出功率仿真結(jié)果，圖4為傳統(tǒng)的數(shù)字PID控制MPPT仿真波形。

從圖中可以看出，日照強度從800 W/m2降到600 W/m2時，圖4大約經(jīng)過200 ms左右可再次找到最大功率點；當日照強度從600 W/m2增到1 000 W/m2時，圖4大約經(jīng)過200 ms左右再次找到最大功率點

4 實驗結(jié)果

實驗采用直流電源和一個串聯(lián)電阻來代替太陽能電池，圖5是實驗系統(tǒng)框圖，它主要由光伏模塊、Buck電路、控制器構(gòu)成。

單片機對電壓和電流信號采樣，計算出功率及功率的變化量，送給模糊控制器和PID控制器，計算出占空比變化量，控制Buck電路開關(guān)的通斷，來找到系統(tǒng)的最大功率點。

采用圖5實驗裝置，分別利用增量電導(dǎo)算法和PID控制算法實測佛山7月份一天中的光伏電池輸出功率。實驗中采用多晶硅太陽能電池板，開路電壓V，短路電流A，輸出最大功率時對應(yīng)電壓和電流分別為V、A，輸出最大功率W。

從圖6中可以看出，在一天光照變化的過程中，兩種控制器都可以較好地跟蹤光伏電池的最大功率輸出點。但是，采用PID控制算法的控制器，在跟蹤過程中比增量電導(dǎo)算法可以使光伏電池損失功率更小，從而得到更大的輸出功率。例如，在中午13時左右時，日照強度最強，此時PID控制器輸出功率85 W左右，而增量電導(dǎo)控制器輸出78 W左右。

5 結(jié)語

針對光伏電池的特點，將數(shù)字PID控制算法應(yīng)用到光伏電池MPPT中，并與傳統(tǒng)的增量電導(dǎo)算法進行比較。實驗結(jié)果表明，數(shù)字PID控制算法能夠穩(wěn)定高效地跟蹤光伏陣列的最大功率點，同時在光照強度等參數(shù)發(fā)生突變情況下能較快找到新的最大功率點，具有較高的控制精度和穩(wěn)定性。

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