基于模糊—PID雙模控制的MPPT技術研究

叢方舟

【摘要】太陽能電池發出的功率不穩定，但其必存在一最大功率，為了提高光伏電池的利用率，需要采用一定的控制措施使光伏電池始終工作在最大功率點處。研究方案以獨立光伏發電系統為研究對象，建立了光伏電池的數學仿真模型，并在傳統模糊算法的基礎上，提出一種模糊-PID雙模控制方案，仿真結果顯示模糊-PID算法與傳統模糊算法相比，消除了在最大功率點處震蕩的問題，提高了跟蹤精度。

【關鍵詞】光伏；最大功率跟蹤；模糊；PID

1.引言

能源是國民經濟發展的血液，而如今能源稀缺，傳統能源消耗殆盡，亟需開發新能源來代替傳統能源，而太陽能在眾多新能源中以其綠色環保、可再生、儲量無窮等優勢，得到了眾多關注。步入21世紀，全球光伏產業迅猛發展，裝機容量大幅度提升，而國內光伏產業在經歷了一場中歐光伏貿易危機后，充分暴露了國內光伏市場供過于求的窘境。危機過后，我國政府迅速推出一系列利好政策，拉動光伏市場內需，旨在改善光伏市場目前的窘境，迎接新一輪的發展。當前，光伏電池生產成本仍舊比較高，光電轉換效率較低，為了更有效的利用太陽能，提高光伏發電系統的轉換效率，采用太陽能最大功率跟蹤很有必要[1]。

2.光伏電池的建模與仿真

光伏電池屬于半導體光電器件，光直接輻射到光伏電池上而產生電能。光伏電池的特性可用等效電路來描述，但由于電路中很多參數難以確定，文獻[2]給出了面向工程實際的光伏電池簡化數學模型，所謂簡化模型通常要求僅采用廠家提供的標準條件（光照強度Sref=1000W/m2，電池溫度Tref=25/℃）下光伏電池板技術參數短路電流Isc、開路電壓Uoc/、峰值電流Im、峰值電壓Um，就可以得出C1和C2。

然而實際應用中，光照強度和環境溫度不會一直在標準條件下，當環境溫度和光照強度發生變化，可由式（1）-（6）得到光伏電池的數學模型[3]。

式中T是光伏電池環境溫度，S是光照強度，a=0.0005A/℃，b=0.5，c=-0.0033V/℃。

根據上式建立的數學模型，利用matlab中的embedded matlab function模塊，建立光伏電池仿真模型，并利用subsystem工具對模型進行封裝。

3.模糊-PID雙模控制算法實MPPT

光伏電池輸出的功率必存在一最大功率輸出點，為了最大限度的利用太陽能，利用控制方法，保證光伏電池始終工作在最大功率點附近的技術稱為最大功率跟蹤（MPPT）技術[4]。

光伏系統最大功率跟蹤采用模糊控制：

具有較好的響應速度、魯棒性以及自適應性，但若僅采用模糊算法可能使工作點很難穩定在最大功率點處，產生能量損失，故在模糊算法的基礎上引入傳統PID算法，提高控制精度[5]。

3.1 模糊算法的實現

3.1.1 確定模糊子集及論域

本次方案模糊算法以模糊控制以第n-1時刻的占空比調整步長△D（n-1）和第n時刻的功率變化量△P作為控制器的輸入，第n時刻的占空比調整步長△D（n）作為輸出[7]。

隸屬度函數是模糊控制的應用基礎，是否正確地構造隸屬度函數是能否用好模糊控制的關鍵之一，此處選擇常用的三角形隸屬函數。

3.1.3 模糊決策表

算法的工作原則如下：若輸出功率增加，則繼續向原來步長調整方向，否則取相反的方向；離最大功率點較遠，采用較大步長以加快跟蹤速度，離最大功率點較近，采用較小的步長，減少搜索損失，根據上述工作原則建立模糊決策表。

3.1.4 解模糊方法

將模糊推理得到的模糊輸出變換成精確輸出的過程就是解模糊過程，解模糊的方法有重心法、最大隸屬度法、加權平均法等，此處選用具有較高精度的重心法。

3.2 模糊-PID算法的實現

4.仿真驗證

太陽能電池參數選擇如下：峰值工作電壓17.5V，峰值工作電流3.7A，開路電壓22V，短路電流4.1A，電流溫度系數0.0005A/℃，電壓溫度系-0.0033V/℃。

利用matlab中signal builder模塊模擬外界光照強度的變化，在0.1s時，光照強度從300W/m2增加至600W/m2，在0.3s時，光照強度從600W/m2增至1000W/m2。

5.結束語

為了提高光伏系統的太陽能利用率，改善MPPT控制效果，在原本模糊算法的基礎上，加入了PID算法，提出了模糊-PID雙模控制算法。通過建立仿真模型，分別對模糊算法以及模糊-PID算法進行仿真，比較兩種算法的控制效果，仿真結果表明，模糊-PID算法相較于傳統控制算法，可以迅速感知外界環境變化，提高了系統跟蹤的速度。

相較于傳統的模糊算法又可以有效改善傳統模糊算法最大功率點附近的震蕩現象，提高了系統的穩定性。

參考文獻

[1]牛祿青.中國光伏拐點來臨[J].趨勢，2013（9）.

[2]YE Z B，LI Q F，ZHU Q Z.The cooling tec-hnology of solar cells under concentrated system[C]//IEEE 6th International Power Electronics and Motion Control Conferen- ce.Wuhan，China：IEEE，2009：2193-2197.

[3]劉萌.并網型光伏發電系統最大功率跟蹤控制研究[D].北京，華北電力大學，2012.

[4]邵龍，劉觀起，胡婷.光伏發電系統最大功率點跟蹤方法研究綜述[J].電網與清潔能源，2013，2（2）：80-85.

[5]黃克亞.光伏發電系統最大功率點跟蹤算法研究及實現[D].蘇州：蘇州學，2010.

[6]張歡歡.光伏發電系統最大功率點跟蹤的算法研究與系統設計[D].上海：東華大學，2013.

[7]黃瑞，孫黎霞.基于占空比模糊控制的光伏發電系統MPPT技術[J].電子工程設計，2013，4（7）：101-104.