摘 要: 為進(jìn)一步提高光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制品質(zhì)，對(duì)常規(guī)模糊跟蹤算法進(jìn)行了改進(jìn)，提出自適應(yīng)模糊PID雙?？刂撇呗裕治隽丝刂扑惴ǖ脑?，并對(duì)控制系統(tǒng)做了設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，自適應(yīng)算法能迅速感知外界環(huán)境變化，快速跟蹤光伏電池最大功率點(diǎn)，具有良好的魯棒性，同時(shí)引入的PID控制能有效消除最大功率點(diǎn)附近的振蕩現(xiàn)象，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。整個(gè)雙模控制實(shí)現(xiàn)了MPPT精確性與快速性的兼?zhèn)?。關(guān)鍵詞:光伏發(fā)電; MPPT; 自適應(yīng)模糊控制; PID; 雙?？刂?/p>

中圖分類號(hào):TN919-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)22-0181-03

MPPT Strategy of PV System Based on Adaptive Fuzzy PID Algorithm

SUN Xiao-ling，HUI Jing

(Jiangnan University，Wuxi 214122，China)

Abstract: To further improve the control quality of photovoltaic generation MPPT systems， dual-mode adaptive fuzzy PID control strategy is proposed on the basis of conventional fuzzy tracking algorithm， the principle of control algorithm is analyzed and the control system is designed. The results show that dual-mode control algorithms can quickly sense the changes of the external environment， and track the maximum power point rapidly. At the same time， oscillation phenomenon near the MPP is eliminated effectively. The total MPPT system represents good stability， accuracy and rapidity.Keywords: photovoltaic generation; MPPT; adaptive fuzzy control; PID; dual-mode control

0 引 言

太陽(yáng)能作為一種潔凈的可再生能源得到了持續(xù)的發(fā)展和利用，光伏發(fā)電作為利用太陽(yáng)能的主要方式之一受到了越來(lái)越多的關(guān)注。光伏電池的輸出特性受外界環(huán)境的影響大，電池表面溫度和日照強(qiáng)度的變化都可以導(dǎo)致輸出特性發(fā)生較大的變化，使得光伏電池的轉(zhuǎn)換效率較低。目前單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率一般為12%~18%;多晶硅的轉(zhuǎn)換效率也只有12%~17%，因此一種高效的最大功率跟蹤MPPT控制算法對(duì)于提高光伏系統(tǒng)的效率，乃至整個(gè)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)具有重要的意義。

傳統(tǒng)的MPPT控制算法，如擾動(dòng)觀察法(俗稱爬山法)和電導(dǎo)增量法都具有算法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但也存在最大功率點(diǎn)來(lái)回震蕩，導(dǎo)致功率損失，對(duì)外界環(huán)境適應(yīng)性較差，系統(tǒng)的魯棒性低等缺點(diǎn)[1-2]。

針對(duì)傳統(tǒng)MPPT控制算法存在的問(wèn)題，同時(shí)借鑒文獻(xiàn)[3-5]中各控制算法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了自適應(yīng)模糊PID雙模控制策略，詳細(xì)介紹了算法原理，建立了系統(tǒng)模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該雙?？刂扑惴茱@著減少常規(guī)模糊控制在最大功率點(diǎn)附近的震蕩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時(shí)引入的自適應(yīng)控制，增強(qiáng)了模糊PID控制算法的環(huán)境自適應(yīng)能力，具有良好的魯棒性和控制精度，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)快速性與精確性的統(tǒng)一。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光伏電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電系統(tǒng)。光伏電池的輸出功率存在最大功率點(diǎn)Pm=ImVm，而光伏電池的最大輸出功率是隨外界環(huán)境變化而改變的，為提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率需采用最大功率點(diǎn)跟蹤。

最大功率點(diǎn)跟蹤的過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)自尋優(yōu)過(guò)程。爬山法和電導(dǎo)增量法是目前實(shí)現(xiàn)MPPT控制的常用方法，前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，擾動(dòng)參數(shù)少，有比較好的跟蹤效率，但跟蹤時(shí)波動(dòng)較大，導(dǎo)致功率損失;后者能快速跟蹤光強(qiáng)變化引起的最大功率點(diǎn)變化，有較好的跟蹤效果，但硬件實(shí)現(xiàn)難度較大。模糊邏輯控制不需要調(diào)制輸出電壓，從而避免了部分功率損失，但其控制規(guī)則無(wú)法根據(jù)外部環(huán)境的變化而進(jìn)行修正，自整定參數(shù)使系統(tǒng)穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)。針對(duì)這些控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)，在此結(jié)合模糊控制和經(jīng)典PID控制，提出了精確性與快速性兼?zhèn)涞淖赃m應(yīng)模糊PID控制算法。

2 自適應(yīng)模糊PID控制的原理

為了彌補(bǔ)常規(guī)模糊控制規(guī)則粗糙不夠完善的缺點(diǎn)，提出具有系統(tǒng)參數(shù)在線自校正的自適應(yīng)模糊控制技術(shù)，依靠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)模糊控制規(guī)則在控制過(guò)程中的自動(dòng)調(diào)整和完善，達(dá)到良好的精度要求，同時(shí)為了減小輸出功率在最大功率點(diǎn)附近仍有振蕩，減少系統(tǒng)的波動(dòng)和能量損失，引入傳統(tǒng)PID控制方法。利用自適應(yīng)模糊控制的自校正特性，并結(jié)合傳統(tǒng)的PID控制的快速性與穩(wěn)定性，構(gòu)造自適應(yīng)模糊PID控制器[2]，實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)的自動(dòng)整定，有效消除光伏電池輸出功率在最大功率點(diǎn)的振蕩，減少能量損失，提高能量轉(zhuǎn)換效率。

自適應(yīng)模糊PID雙模控制的工作原理如圖1，先根據(jù)采集到的太陽(yáng)能電壓、電流值及功率值來(lái)判斷其運(yùn)行在哪個(gè)工作區(qū)，然后根據(jù)不同的工作區(qū)采取不同的工作指令進(jìn)行跟蹤控制。在大偏差范圍內(nèi)采用模糊自適應(yīng)控制進(jìn)行快速響應(yīng)調(diào)整，在小偏差范圍內(nèi)的精度調(diào)整采用常規(guī)PID控制，通過(guò)開關(guān)函數(shù)k(ep)來(lái)決定2種控制方式之間的切換。k1，k2是設(shè)定的自適應(yīng)模糊控制器和PID控制器的轉(zhuǎn)換開關(guān)，其值的選取要根據(jù)不同的環(huán)境條件和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)決定。當(dāng)滿足k1<ΔP/ΔD

圖1 自適應(yīng)模糊PID雙?？刂圃韴D

3 算法設(shè)計(jì)

在光伏系統(tǒng)中，最大功率點(diǎn)的跟蹤速度和跟蹤精度是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，這些因素與系統(tǒng)調(diào)節(jié)的步長(zhǎng)有直接關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)的工作點(diǎn)遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)時(shí)，必須加快跟蹤速度，即加大調(diào)節(jié)的步長(zhǎng);當(dāng)系統(tǒng)的工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近時(shí)，為了維護(hù)系統(tǒng)的跟蹤精度和穩(wěn)定性，必須適當(dāng)減小調(diào)節(jié)步長(zhǎng)，避免系統(tǒng)來(lái)回振蕩。

3.1 自適應(yīng)模糊控制器的設(shè)計(jì)

根據(jù)光伏系統(tǒng)的特點(diǎn)，選擇三角形作為初始模糊控制器隸屬度函數(shù)的形狀，并且曲線距離原點(diǎn)越近(誤差越小)，曲線越陡(分辨率越高);曲線距離原點(diǎn)越遠(yuǎn)，曲線越緩。根據(jù)光伏電池的特性可以得出，離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)處，采用較大步長(zhǎng)以加快跟蹤速度，離最大功率點(diǎn)附近，采用較小步長(zhǎng)，以減少搜索損失[6]。當(dāng)溫度、日照強(qiáng)度等因素發(fā)生變化，導(dǎo)致光伏系統(tǒng)的功率發(fā)生較大變化時(shí)，系統(tǒng)需要迅速做出反應(yīng)。自適應(yīng)模糊控制器的2個(gè)輸入分別是誤差e和誤差變化Δe，輸出為MPPT電路中開關(guān)器件占空比的改變量ΔD。

e(k)=p(k)-p(k-1)v(k)-v(k-1)，Δe(k)=e(k)-e(k-1)(1)

自適應(yīng)模糊控制器是在模糊控制的基礎(chǔ)上增加3個(gè)功能塊，分別為性能計(jì)算(辨識(shí)裝置)、決策機(jī)構(gòu)、控制規(guī)則修正機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)框圖

辨識(shí)裝置每次采樣的實(shí)際響應(yīng)可通過(guò)監(jiān)測(cè)e(kT)和Δe(kT)得出，將實(shí)際響應(yīng)和希望響應(yīng)相比較，大概表明需要校正的輸出量。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，要從性能度量判定表查出。表1中的數(shù)據(jù)給出了希望響應(yīng)集合，零元素值表示該狀態(tài)不需要校正，非零元素值不僅考慮了偏離設(shè)定值的距離，而且還考慮了趨向設(shè)定值和離開設(shè)定值的速度控制量校正。通過(guò)上述性能測(cè)量得到了光伏系統(tǒng)達(dá)到最大功率點(diǎn)所需的輸出響應(yīng)校正量。為了實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制， 需將輸出響應(yīng)的校正量轉(zhuǎn)換為控制量的校正量。根據(jù)控制對(duì)象的特性，建立一個(gè)增量模型，即根據(jù)控制系統(tǒng)輸出對(duì)輸入的Jacobian矩陣J，求出對(duì)象的增量模型M=TJ，M為對(duì)象狀態(tài)的函數(shù)。輸入校正量Δu(kT)=M-1Δy(kT)。修正機(jī)構(gòu)利用得到的控制輸入校正量來(lái)修改控制規(guī)則，以改善控制性能。假定在第d次采樣中，由于外界環(huán)境的變換使系統(tǒng)的工作點(diǎn)偏離MPP，則此時(shí)誤差、誤差變化率及控制量輸入分別為e(kT-dT)，Δe(kT-dT)，u(kT-dT)。根據(jù)控制校正量的計(jì)算結(jié)果，控制輸入應(yīng)取v(kT-dT)=u(kT-dT)+Δu(kT)。為了得到修正策略，針對(duì)相應(yīng)論域的這些量構(gòu)造對(duì)應(yīng)的模糊子集，用新的蘊(yùn)涵[7]E(kT-dT)→E.(kT-dT)→V(kT-dT)代替舊的蘊(yùn)涵E(kT-dT)→E.(kT-dT)→U(kT-dT)。此時(shí)校正后的模糊規(guī)則為:

If e(kT-dT) is E(kT-dT)

and Δe(kT-dT) is E.(kT-dT)

Then u(kT-dT) is V(kT-dT)

3.2 自適應(yīng)模糊PID雙模控制

自適應(yīng)模糊控制算法較常規(guī)模糊控制具有良好的精度與自調(diào)整能力，但是最大功率點(diǎn)附近震蕩的問(wèn)題依然沒(méi)有得到很好的解決，造成較大的能量損失，影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率。為了解決此問(wèn)題，在模糊控制的基礎(chǔ)上，引入穩(wěn)定性和快速性良好的PID 控制，由開關(guān)函數(shù)k(ep)來(lái)決定進(jìn)行2種控制方式之間的切換。綜合智能算法及經(jīng)典算法的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了良好的控制效果。

表1 性能量度判定

e

Δe

趨向最大功率點(diǎn)離開最大功率點(diǎn)-6-5-4-3-2-1-0+0+1+2+3+4+5+6

最大功率點(diǎn)左側(cè)-601222266666666-500133355555566-400033354455556-300022143445556-200001132334455-100000121223345-000000000001234

最大功率點(diǎn)右側(cè)

+00000000000-1-2-3-4

+10000-1-1-2-1-2-2-2-3-3-4

+20000-2-3-4-4-4-4-5-5-5-6

+3000-1-2-3-4-4-5-5-5-5-5-6

+4000-3-3-3-4-4-4-5-5-5-5-6

+5000-3-3-3-5-5-5-5-5-5-6-6

+600-1-2-2-3-5-6-6-6-6-6-6-6

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)裝置由光伏電池模塊、Boost 電路、自適應(yīng)模糊PID 控制器構(gòu)成。光伏模塊參數(shù):峰值功率pmp為9 W，開路電壓VOC為21 V，短路電流ISC為0.6 A;峰值電壓Vmp為16.8 V;峰值電流Imp為0.54 A;NOCT(normal cell operating temperature)太陽(yáng)能電池的工作溫度Tnoct為50 ℃。控制系統(tǒng)的核心是自適應(yīng)模糊PID 控制器，它由TI公司的TMS320LF2812DSP控制器實(shí)現(xiàn)。光伏模塊的輸出電壓和輸出電流信號(hào)經(jīng)檢測(cè)后送到控制器，控制器對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行處理，最后得到Boost電路主開關(guān)占空比的調(diào)節(jié)量，從而控制開關(guān)的變化，這個(gè)過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，直到系統(tǒng)工作在MPP[8]。

圖3 光伏系統(tǒng)電路原理圖

由圖4實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可得，改進(jìn)的雙?？刂扑惴苡行Ц纳茊渭冏赃m應(yīng)模糊算法在最大功率點(diǎn)的震蕩，提高轉(zhuǎn)換效率，從而增大光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜合MPPT控制中自適應(yīng)模糊控制和傳統(tǒng)PID控制的優(yōu)缺點(diǎn)，提出模糊自適應(yīng)PID雙模控制算法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可得，該控制算法能有效改善系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近的震蕩現(xiàn)象，減少功率損失，提高光伏電池轉(zhuǎn)換效率，在光照強(qiáng)度突變的情況下，系統(tǒng)也能快速找到新的最大功率點(diǎn)，保持系統(tǒng)穩(wěn)定，提高光伏系統(tǒng)MPPT控制的魯棒性和精確性，同時(shí)增強(qiáng)了跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

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