光伏发电系统最大功率点跟踪模糊控制算法研究

郑文 吕政勋 梁爽 凌梓 刘垚

摘 要：将模糊控制技术应用于光伏发电系统的最大功率跟踪技术（MPPT），提出模糊自适应PID控制器的结构、设计步骤，构建基于MATLAB的仿真系统图，仿真结果证明了模糊控制算法应用的有效性，取得了良好的控制性能。

关键词：最大功率跟踪技术（MPPT）；模糊控制；MATLAB

随着经济与社会的不断发展，以太阳能、风能等为代表的清洁、可再生能源受到人们广泛关注。太阳能拥有其它能源不可比拟的优势，因此开发和利用太阳能，对于缓解能源危机和环境污染有着重要的意义。

太阳能发电分为光热发电和光伏发电，以光伏发电为主，它是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。由于光伏电池的光电转换效率比较低，为了最大限度地提高光伏发电系统的发电效率，使其功率输出最大化，需要对光伏电池的最大功率点进行跟踪。

1 最大功率跟踪技术

光伏电池具有非线性的光伏特性，即使光照强度相同，也会由于负载的不同而输出不同的功率。为了使太阳能的输出功率保持在它所能输出的最大功率状态（即最大功率点），然后再使它向负载供电，需要采用最大功率点跟踪技术（Maximum Power Point Tracking，MPPT），以实现充分利用太阳能的目的。

光伏电池的最大功率点是一个时变量，通常采用搜索算法进行最大功率点跟踪，主要包括扰动观察法、增量导纳法、恒定电压法等。MPPT通过测量电压、电流或功率，决定当前工作点与最大功率点的位置关系，控制电流（或电压）向最大功率点靠近，直到到达最大功率点。MPPT本质上是一个寻优过程，通过不断测量和不断调整以达到最优的过程，不需要建立光伏阵列的精确数学模型；日照强度、环境温度等环境因素的变化，不会影响跟踪效果。通过在运行过程中不断改变可控参数的整定值，最后工作在最大功率点。如果将智能控制技术应用于MPPT，例如采用模糊自寻优方法，将可以优化MPPT算法。文章提出了基于模糊控制的MPPT方法并进行仿真，实现了最大功率跟踪效果好、响应速度快的目标。

2 模糊自适应PID控制

模糊自适应PID控制器是以操作人员手动控制经验总结出的控制规则为核心，通过辨识系统当前的运行状态，经过模糊推理、模糊判决、解模糊过程得到控制量以实现对被控對象的在线控制。它能实时调整PID参数，在线实现对PID控制器参数的最优调整，从而让PID控制具有更强的适应性。

2.1 模糊自适应PID控制器的基本结构

系统以给定值的误差e和误差变化率ec作为输入，以△Kp、△Ki、△Kd为输出的模糊自适应PID控制器，其结构如图1所示。模糊自适应PID是在PID算法的基础上，通过计算当前系统误差e和误差变化率ec，利用模糊控制规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整。

2.2 模糊自适应PID控制器的核心设计

模糊自适应PID的主要思想，是先找出PID各个参数与偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，根据模糊控制原理来对各个参数进行在线修改，以满足对控制参数的不同要求，使控制对象具有良好的动、静态性能。

2.2.1 论域、量化因子和比例因子的选择

根据模糊控制器输入量和输出量的变化范围，确定输入量和输出量的基本论域；将连续变化的基本论域进行量化转化为整数论域。

2.2.2 模糊变量模糊子集的定义

系统输入输出语言变量均选取7个语言值，即：NB（负大），NM（负中），NS（负小），ZO（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）。选择各语言变量论域上用以描述模糊子集的隶属函数为正态分布函数，从而可以得到各模糊变量的赋值。

2.2.3 模糊控制规则的建立

模糊控制设计的核心是总结工程设计人员通过学习、试验以及长期经验积累而逐渐形成的技术知识和操作经验，建立相应的模糊规则表，得到针对△Kp、△Ki、△Kd三个参数整定的模糊控制表。

2.2.4 建立模糊控制表和模糊控制器的在线工作

采用最大隶属度法进行模糊判决，将控制量由模糊量变为精确量得到模糊控制表。模糊控制表的获取是在离线状态进行的。系统实际运行时，可用先将模糊控制表存入DSP内存中，然后编制查表子程序，实现PID参数的在线调整。

3 基于模糊控制的MPPT方法研究

基于模糊控制的MPPT，是以功率对电压或电流的变化及其变化率作为模糊输入变量，通过模糊化处理，根据专家经验进行模糊判别。给出调节输出的隶属度，最后根据隶属度函数进行反模糊化处理得到控制调节量，来实现控制最大功率输出。

将模糊逻辑控制应用于光伏电池最大功率点的跟踪，不需要光伏阵列的精确数学模型，达到最大功率点后基本没有波动，具有较好的动态和稳态性能。基于MATLAB/SIMULINK的仿真模型如图2所示。

通过仿真证明，采用模糊PID控制，系统的响应速度加快、调节精度提高、稳态性能变好，而且没有超调和振荡。可见，将模糊控制技术应用于最大功率点跟踪控制是可行的。

4 结束语

模糊控制是当今比较通用的一种智能控制方法，其技术相当成熟。课题组将模糊控制运用于光伏系统的最大功率点的跟踪，提出了模糊自适应PID控制器的基本结构以及设计方法，运用MATLAB中的SIMULINK、模糊逻辑工具箱等进行仿真模拟MPPT控制，结果表明将模糊控制运用于最大功率点跟踪是可行的，并具有良好的动、稳态性能。

作者简介：郑文（1972-），女，硕士，教授，主要从事电力系统及其自动化方面的研究。