自整定模糊PID算法在微電網(wǎng)MPPT中的應(yīng)用研究

肖俊明，祝海明，譚 明，劉鵬程，杜迎虎

（1.中原工學(xué)院，鄭州450007；2.重慶大學(xué)，重慶461000）

自整定模糊PID算法在微電網(wǎng)MPPT中的應(yīng)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(xué)院，鄭州450007；2.重慶大學(xué)，重慶461000）

分析了現(xiàn)有光伏電池MPPT控制方法的優(yōu)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(tǒng).在Matlab／Simulink環(huán)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(tǒng).仿真結(jié)果表明：該系統(tǒng)跟蹤速度快、靜態(tài)誤差小；當(dāng)外界環(huán)境變化時，能夠迅速準(zhǔn)確地作出響應(yīng)，找到最大功率點；系統(tǒng)在穩(wěn)定時基本消除了震蕩現(xiàn)象，具有良好的動態(tài)和靜態(tài)特性.自整定模糊PID控制具有較強的自適應(yīng)能力和魯棒性.

自整定模糊PID；最大功率點跟蹤；微電網(wǎng)；光伏發(fā)電系統(tǒng)；Matlab／Simulink

隨著煤炭、石油、天然氣等不可再生資源的減少，環(huán)境和能源問題日益突出，人們逐漸認(rèn)識到走可持續(xù)發(fā)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(fā)電（DG，Distributed Generation）為能源的微電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，成為未來電網(wǎng)發(fā)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(wǎng)系統(tǒng)中一直占有很大比重，但光電轉(zhuǎn)換效率低一直是制約其發(fā)展的瓶頸.通過電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)實現(xiàn)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(wǎng)系統(tǒng)

微電網(wǎng)概念的提出始于20世紀(jì)末.1999年美國電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會（CERTS）在微電網(wǎng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性及微電網(wǎng)對環(huán)境的影響等方面展開研究.CERTS提出的微電網(wǎng)模型與大電網(wǎng)之間只有一個公共連接點，并且不向大電網(wǎng)輸出電能，所以從系統(tǒng)的角度看，對于大電網(wǎng)而言，微電網(wǎng)是一個單一的可控負(fù)載.微電網(wǎng)既可以與配電網(wǎng)互聯(lián)運行，也可以獨立運行（稱為孤立運行方式）［2］.當(dāng)配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，微電網(wǎng)會自動與配電網(wǎng)發(fā)生解列，進(jìn)入獨立運行狀態(tài)，從而保證微電網(wǎng)內(nèi)部用戶的用電可靠性.微電網(wǎng)的這種結(jié)構(gòu)功能特點、控制和保護(hù)策略、能量管理方式與常規(guī)分布式發(fā)電技術(shù)都有較大不同，需要進(jìn)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(jù)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(shù)；λ為日照強度；ISCR為標(biāo)準(zhǔn)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(shù)；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(lián)和串聯(lián)個數(shù).

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(shù)，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(xiàn)在比較流行的MPPT控制方法，它具有較高的轉(zhuǎn)換效率.但這種方法中MPPT電路功率開關(guān)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(dǎo)致：當(dāng)△D較大時，系統(tǒng)控制速度較快，但在MPP點附近系統(tǒng)波動較大，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性及光電轉(zhuǎn)換效率；當(dāng)△D較小時，系統(tǒng)能在MPP點附近保持穩(wěn)定并波動較小，但對外界條件變化的響應(yīng)速度明顯較慢.

本文提供的方法是將自整定模糊PID控制應(yīng)用到擾動觀察法中，通過負(fù)載的功率變化來直接調(diào)節(jié)占空比變化量△D的大小以實現(xiàn)MPPT控制.圖4所示為P－D關(guān)系示意圖.當(dāng)dP／dD＝0時，輸出功率達(dá)到最大功率點.用自整定模糊PID控制來調(diào)節(jié)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(guān)系示意圖

3 自整定模糊PID控制器的設(shè)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(guī)PID控制的基礎(chǔ)上，采用模糊控制邏輯推理方法來調(diào)整PID控制算法中的參數(shù)；但經(jīng)過模糊推理得到的結(jié)果不是直接作為系統(tǒng)的輸出，而是用該結(jié)果來整定PID控制的參數(shù)，再根據(jù)PID算法控制系統(tǒng)的輸出.

對于光伏系統(tǒng)而言，由于輸出功率受光照強度、光伏電池溫度、負(fù)載等外界因素的影響較大，其工作情況也很難用精確的數(shù)學(xué)模型描述.將模糊控制應(yīng)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(yōu)特性，單一的模糊控制只能使系統(tǒng)在最大功率點附近來回擺動，即出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象.而傳統(tǒng)的PID控制易于實現(xiàn)，并且能有效消除系統(tǒng)在靜態(tài)工作點振蕩的現(xiàn)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(huán)境發(fā)生變化時快速跟蹤到最大功率點的變化，并使光伏系統(tǒng)始終工作在最大功率點上，消除系統(tǒng)在最大功率點附近的振蕩現(xiàn)象，實現(xiàn)優(yōu)化控制的作用.

3.2 自整定模糊PID控制的參數(shù)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(shù)整定

自整定模糊PID控制算法是利用模糊控制算法來優(yōu)化傳統(tǒng)PID控制.其核心技術(shù)就是優(yōu)化傳統(tǒng)PID控制參數(shù).

常規(guī)PID控制的控制算式為：

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

（1）當(dāng)E較小時，應(yīng)取較大的Kp和Ki以及適當(dāng)?shù)腒d，避免系統(tǒng)在平衡點附近出現(xiàn)振蕩，使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能.

（2）當(dāng)E中等大小時，應(yīng)取較小的Kp及適當(dāng)?shù)腒i和Kd，使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)量.

（3）當(dāng)E較大時，應(yīng)取較大的Kp和較小的Kd，使系統(tǒng)響應(yīng)加快.

3.2.2 模糊控制器的構(gòu)建

根據(jù)以上分析，構(gòu)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(shù)Kp、Ki、Kd作為輸出.當(dāng)E為0時，系統(tǒng)工作在最大功率點上.

圖6 模糊控制器

同樣，設(shè)定輸出 Kp、Ki、Kd的模糊子集為｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝，并且參數(shù)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(shù).圖7所示為輸入變量E的隸屬函數(shù).其他參數(shù)的隸屬函數(shù)和E的一樣.

圖7 各模糊子集的隸屬函數(shù)

其中控制器中各參數(shù)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(yè)的碩士將原量表翻譯成中文，經(jīng)過相關(guān)領(lǐng)域?qū)W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(yè)的碩士回譯量表，與原量表進(jìn)行比較，以確保含義接近。最終確定量表的題目后，于專業(yè)的在線問卷平臺“問卷星”上投放。

Kd：［－1.5，1.5］.

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

表1 PID參數(shù)的模糊控制表

根據(jù)表1整理出49模糊控制規(guī)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(jù)這49條模糊控制規(guī)則，模糊控制器進(jìn)行PID控制3個參數(shù)Kp、Ki、Kd的自適應(yīng)調(diào)節(jié).在Matlab模糊控制規(guī)律觀察器里，所得結(jié)果經(jīng)過重心法解模糊化后，得出相應(yīng)的輸出結(jié)果.

4 仿真實驗

4.1 仿真電路設(shè)計

根據(jù)光伏陣列數(shù)學(xué)模型，在Matlab／Simulink環(huán)境下建立光伏電池仿真模型.光伏電池模型參數(shù)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(biāo)準(zhǔn)環(huán)境光照強度S為1 000W／m2，標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)，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(tǒng)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(jié)果及分析

在光伏電池MPPT控制模型中，分別用傳統(tǒng)擾動觀察法與自整定模糊PID算法進(jìn)行仿真實驗.第一組實驗設(shè)定環(huán)境溫度為30℃不變，在第3s時，系統(tǒng)的光照強度從800W／m2突然升高到1 000W／m2，仿真時間6s，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖10所示.第二組實驗設(shè)定光照強度為800W／m2不變，在第3s時，系統(tǒng)的環(huán)境溫度從25℃突然升高到40℃，仿真時間6s，仿真結(jié)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(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時，自整定模糊PID控制能夠迅速響應(yīng)外界變化，在0.05s內(nèi)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(tǒng)調(diào)整速度方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)擾動觀察法.

（3）當(dāng)系統(tǒng)趨于穩(wěn)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(dāng)于定值.可見，傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)對平穩(wěn)靜態(tài)工作點和消除波動有很大作用，體現(xiàn)了模糊PID控制的優(yōu)點.

5 結(jié) 語

本文分析了現(xiàn)有光伏電池MPPT控制方法的優(yōu)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(tǒng).在Matlab／Simulink環(huán)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(tǒng).仿真結(jié)果表明：自整定模糊PID控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、靜態(tài)誤差小；當(dāng)外界環(huán)境變化時，能夠迅速準(zhǔn)確地做出響應(yīng)，找到最大功率點；系統(tǒng)在穩(wěn)定時基本上消除了震蕩現(xiàn)象，具良好的動態(tài)和靜態(tài)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(shù)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(jié)的太陽能電池伏安特性的分析與模擬［J］.光子學(xué)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(xué)學(xué)報（工程技術(shù)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(shù)自整定模糊PID在溫度控制中的應(yīng)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－h(huán)u1
（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(wèi)輝人，教授.