鄭文 呂政勛 梁爽 凌梓 劉垚

摘 要：將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤技術(shù)（MPPT），提出模糊自適應(yīng)PID控制器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)步驟，構(gòu)建基于MATLAB的仿真系統(tǒng)圖，仿真結(jié)果證明了模糊控制算法應(yīng)用的有效性，取得了良好的控制性能。

關(guān)鍵詞：最大功率跟蹤技術(shù)（MPPT）；模糊控制；MATLAB

隨著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的不斷發(fā)展，以太陽能、風(fēng)能等為代表的清潔、可再生能源受到人們廣泛關(guān)注。太陽能擁有其它能源不可比擬的優(yōu)勢，因此開發(fā)和利用太陽能，對于緩解能源危機(jī)和環(huán)境污染有著重要的意義。

太陽能發(fā)電分為光熱發(fā)電和光伏發(fā)電，以光伏發(fā)電為主，它是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。由于光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率比較低，為了最大限度地提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)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(diǎn)進(jìn)行跟蹤。

1 最大功率跟蹤技術(shù)

光伏電池具有非線性的光伏特性，即使光照強(qiáng)度相同，也會(huì)由于負(fù)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(tài)（即最大功率點(diǎn)），然后再使它向負(fù)載供電，需要采用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（Maximum Power Point Tracking，MPPT），以實(shí)現(xiàn)充分利用太陽能的目的。

光伏電池的最大功率點(diǎn)是一個(gè)時(shí)變量，通常采用搜索算法進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，主要包括擾動(dòng)觀察法、增量導(dǎo)納法、恒定電壓法等。MPPT通過測量電壓、電流或功率，決定當(dāng)前工作點(diǎn)與最大功率點(diǎn)的位置關(guān)系，控制電流（或電壓）向最大功率點(diǎn)靠近，直到到達(dá)最大功率點(diǎn)。MPPT本質(zhì)上是一個(gè)尋優(yōu)過程，通過不斷測量和不斷調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)的過程，不需要建立光伏陣列的精確數(shù)學(xué)模型；日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等環(huán)境因素的變化，不會(huì)影響跟蹤效果。通過在運(yùn)行過程中不斷改變可控參數(shù)的整定值，最后工作在最大功率點(diǎn)。如果將智能控制技術(shù)應(yīng)用于MPPT，例如采用模糊自尋優(yōu)方法，將可以優(yōu)化MPPT算法。文章提出了基于模糊控制的MPPT方法并進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)了最大功率跟蹤效果好、響應(yīng)速度快的目標(biāo)。

2 模糊自適應(yīng)PID控制

模糊自適應(yīng)PID控制器是以操作人員手動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出的控制規(guī)則為核心，通過辨識系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)過模糊推理、模糊判決、解模糊過程得到控制量以實(shí)現(xiàn)對被控對象的在線控制。它能實(shí)時(shí)調(diào)整PID參數(shù)，在線實(shí)現(xiàn)對PID控制器參數(shù)的最優(yōu)調(diào)整，從而讓PID控制具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

2.1 模糊自適應(yīng)PID控制器的基本結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)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(yīng)PID控制器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。模糊自適應(yīng)PID是在PID算法的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec，利用模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

2.2 模糊自適應(yīng)PID控制器的核心設(shè)計(jì)

模糊自適應(yīng)PID的主要思想，是先找出PID各個(gè)參數(shù)與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測e和ec，根據(jù)模糊控制原理來對各個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足對控制參數(shù)的不同要求，使控制對象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

2.2.1 論域、量化因子和比例因子的選擇

根據(jù)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(xù)變化的基本論域進(jìn)行量化轉(zhuǎn)化為整數(shù)論域。

2.2.2 模糊變量模糊子集的定義

系統(tǒng)輸入輸出語言變量均選取7個(gè)語言值，即：NB（負(fù)大），NM（負(fù)中），NS（負(fù)?。琙O（零），PS（正?。?，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(shù)為正態(tài)分布函數(shù)，從而可以得到各模糊變量的賦值。

2.2.3 模糊控制規(guī)則的建立

模糊控制設(shè)計(jì)的核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員通過學(xué)習(xí)、試驗(yàn)以及長期經(jīng)驗(yàn)積累而逐漸形成的技術(shù)知識和操作經(jīng)驗(yàn)，建立相應(yīng)的模糊規(guī)則表，得到針對△Kp、△Ki、△Kd三個(gè)參數(shù)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(jìn)行模糊判決，將控制量由模糊量變?yōu)榫_量得到模糊控制表。模糊控制表的獲取是在離線狀態(tài)進(jìn)行的。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，可用先將模糊控制表存入DSP內(nèi)存中，然后編制查表子程序，實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線調(diào)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(jù)專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行模糊判別。給出調(diào)節(jié)輸出的隸屬度，最后根據(jù)隸屬度函數(shù)進(jìn)行反模糊化處理得到控制調(diào)節(jié)量，來實(shí)現(xiàn)控制最大功率輸出。

將模糊邏輯控制應(yīng)用于光伏電池最大功率點(diǎn)的跟蹤，不需要光伏陣列的精確數(shù)學(xué)模型，達(dá)到最大功率點(diǎn)后基本沒有波動(dòng)，具有較好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能?；贛ATLAB/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(tǒng)的響應(yīng)速度加快、調(diào)節(jié)精度提高、穩(wěn)態(tài)性能變好，而且沒有超調(diào)和振蕩。可見，將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于最大功率點(diǎn)跟蹤控制是可行的。

4 結(jié)束語

模糊控制是當(dāng)今比較通用的一種智能控制方法，其技術(shù)相當(dāng)成熟。課題組將模糊控制運(yùn)用于光伏系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)的跟蹤，提出了模糊自適應(yīng)PID控制器的基本結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用MATLAB中的SIMULINK、模糊邏輯工具箱等進(jìn)行仿真模擬MPPT控制，結(jié)果表明將模糊控制運(yùn)用于最大功率點(diǎn)跟蹤是可行的，并具有良好的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能。

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