光伏發電系統最大功率點跟蹤模糊控制算法研究

鄭文 呂政勛 梁爽 凌梓 劉垚

摘 要：將模糊控制技術應用于光伏發電系統的最大功率跟蹤技術（MPPT），提出模糊自適應PID控制器的結構、設計步驟，構建基于MATLAB的仿真系統圖，仿真結果證明了模糊控制算法應用的有效性，取得了良好的控制性能。

關鍵詞：最大功率跟蹤技術（MPPT）；模糊控制；MATLAB

隨著經濟與社會的不斷發展，以太陽能、風能等為代表的清潔、可再生能源受到人們廣泛關注。太陽能擁有其它能源不可比擬的優勢，因此開發和利用太陽能，對于緩解能源危機和環境污染有著重要的意義。

太陽能發電分為光熱發電和光伏發電，以光伏發電為主，它是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術。由于光伏電池的光電轉換效率比較低，為了最大限度地提高光伏發電系統的發電效率，使其功率輸出最大化，需要對光伏電池的最大功率點進行跟蹤。

1 最大功率跟蹤技術

光伏電池具有非線性的光伏特性，即使光照強度相同，也會由于負載的不同而輸出不同的功率。為了使太陽能的輸出功率保持在它所能輸出的最大功率狀態（即最大功率點），然后再使它向負載供電，需要采用最大功率點跟蹤技術（Maximum Power Point Tracking，MPPT），以實現充分利用太陽能的目的。

光伏電池的最大功率點是一個時變量，通常采用搜索算法進行最大功率點跟蹤，主要包括擾動觀察法、增量導納法、恒定電壓法等。MPPT通過測量電壓、電流或功率，決定當前工作點與最大功率點的位置關系，控制電流（或電壓）向最大功率點靠近，直到到達最大功率點。MPPT本質上是一個尋優過程，通過不斷測量和不斷調整以達到最優的過程，不需要建立光伏陣列的精確數學模型；日照強度、環境溫度等環境因素的變化，不會影響跟蹤效果。通過在運行過程中不斷改變可控參數的整定值，最后工作在最大功率點。如果將智能控制技術應用于MPPT，例如采用模糊自尋優方法，將可以優化MPPT算法。文章提出了基于模糊控制的MPPT方法并進行仿真，實現了最大功率跟蹤效果好、響應速度快的目標。

2 模糊自適應PID控制

模糊自適應PID控制器是以操作人員手動控制經驗總結出的控制規則為核心，通過辨識系統當前的運行狀態，經過模糊推理、模糊判決、解模糊過程得到控制量以實現對被控對象的在線控制。它能實時調整PID參數，在線實現對PID控制器參數的最優調整，從而讓PID控制具有更強的適應性。

2.1 模糊自適應PID控制器的基本結構

系統以給定值的誤差e和誤差變化率ec作為輸入，以△Kp、△Ki、△Kd為輸出的模糊自適應PID控制器，其結構如圖1所示。模糊自適應PID是在PID算法的基礎上，通過計算當前系統誤差e和誤差變化率ec，利用模糊控制規則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表進行參數調整。

2.2 模糊自適應PID控制器的核心設計

模糊自適應PID的主要思想，是先找出PID各個參數與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關系，在運行中通過不斷檢測e和ec，根據模糊控制原理來對各個參數進行在線修改，以滿足對控制參數的不同要求，使控制對象具有良好的動、靜態性能。

2.2.1 論域、量化因子和比例因子的選擇

根據模糊控制器輸入量和輸出量的變化范圍，確定輸入量和輸出量的基本論域；將連續變化的基本論域進行量化轉化為整數論域。

2.2.2 模糊變量模糊子集的定義

系統輸入輸出語言變量均選取7個語言值，即：NB（負大），NM（負中），NS（負小），ZO（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）。選擇各語言變量論域上用以描述模糊子集的隸屬函數為正態分布函數，從而可以得到各模糊變量的賦值。

2.2.3 模糊控制規則的建立

模糊控制設計的核心是總結工程設計人員通過學習、試驗以及長期經驗積累而逐漸形成的技術知識和操作經驗，建立相應的模糊規則表，得到針對△Kp、△Ki、△Kd三個參數整定的模糊控制表。

2.2.4 建立模糊控制表和模糊控制器的在線工作

采用最大隸屬度法進行模糊判決，將控制量由模糊量變為精確量得到模糊控制表。模糊控制表的獲取是在離線狀態進行的。系統實際運行時，可用先將模糊控制表存入DSP內存中，然后編制查表子程序，實現PID參數的在線調整。

3 基于模糊控制的MPPT方法研究

基于模糊控制的MPPT，是以功率對電壓或電流的變化及其變化率作為模糊輸入變量，通過模糊化處理，根據專家經驗進行模糊判別。給出調節輸出的隸屬度，最后根據隸屬度函數進行反模糊化處理得到控制調節量，來實現控制最大功率輸出。

將模糊邏輯控制應用于光伏電池最大功率點的跟蹤，不需要光伏陣列的精確數學模型，達到最大功率點后基本沒有波動，具有較好的動態和穩態性能。基于MATLAB/SIMULINK的仿真模型如圖2所示。

通過仿真證明，采用模糊PID控制，系統的響應速度加快、調節精度提高、穩態性能變好，而且沒有超調和振蕩。可見，將模糊控制技術應用于最大功率點跟蹤控制是可行的。

4 結束語

模糊控制是當今比較通用的一種智能控制方法，其技術相當成熟。課題組將模糊控制運用于光伏系統的最大功率點的跟蹤，提出了模糊自適應PID控制器的基本結構以及設計方法，運用MATLAB中的SIMULINK、模糊邏輯工具箱等進行仿真模擬MPPT控制，結果表明將模糊控制運用于最大功率點跟蹤是可行的，并具有良好的動、穩態性能。

作者簡介：鄭文（1972-），女，碩士，教授，主要從事電力系統及其自動化方面的研究。