模糊PID控制在光伏发电MPPT中的应用

模糊PID控制在光伏发电MPPT中的应用

黄克亚

苏州大学阳澄湖校区，江苏 苏州，215137

摘要：光伏电池的输出功率随外部环境和负载的变化而变化，为有效利用太阳能，需要对其进行最大功率点跟踪(MPPT)。模糊控制属于有差控制，在最大功率点附近仍有振荡存在，为进一步提高光伏发电MPPT控制品质，提出一种基于占空比扰动的模糊PID双模控制策略。其基本方法是直接将占空比作为控制变量，在模糊控制基础上加入了传统的PID控制，在大偏差范围内采用模糊控制进行快速响应调整，在小偏差范围内的精度调整采用常规PID控制，该方法实现了MPPT精确性和快速性的兼备。仿真结果表明，该方法能够快速、准确地跟踪光伏电池的最大功率点，避免在最大功率点的振荡，提高了能量转换效率。

关键词：最大功率点跟踪；模糊控制；比例积分微分控制；仿真 中图分类号：TP391.9 文献标识码：A

Application of Fuzzy PID control in MPPT of Photovoltaic Power Generating System

HUANG Ke-ya

Yangcheng Lake Campus of Soochow University, Suzhou Jiangsu, 215137

ABSTRACT：The output power of PV module varies with module temperature, in order to effectively use of solar energy, it need for maximum power point tracking (MPPT). Fuzzy control is static error control, it still has oscillations exist near the maximum power point, in order to further improve the photovoltaic MPPT control quality, fuzzy PID control strategy based on the duty cycle perturbation were proposed. The basic approach is to directly to the duty cycle as control variables, the fuzzy control based on the traditional PID control, fuzzy control to respond quickly to adjustments in the large deviation within small deviations within the accuracy of adjustment of the conventional PID controlthe MPPT accuracy and rapidity of both. The simulation results show that this method can quickly and accurately track the maximum power point of photovoltaic cells, to avoid oscillation in the maximum power point, to improve energy conversion efficiency.

KEYWORDS：Maximum power point tracking; Fuzzy control; PID control; Simulation 1 引言 态和稳态性能，且较难找到平衡点；这些特性

随着全球性能源危机和环境污染的日趋都限制了两种算法的应用[1]。 严重，有效、合理地利用现有资源、保护环境模糊控制不依赖于被控对象的数学模型，已成为全球关注的焦点。太阳能光伏发电具有能够根据功率变化幅度自动调整占空比，能有无污染、无噪声、取之不尽、用之不竭等优点,效提高系统随外部环境变化的快速响应能力，成为新能源研究的热点之一。然而太阳能光伏并能一定程度上减少最大功率点附近的振荡。组件是非稳定电源，光照、温度、负载的改变但是，模糊控制没有积分环节，属于有差控制，均会引起光伏电池输出功率变化，为有效利用在最大功率点附近的振荡仍然存在。为此，本太阳能需要对其进行最大功率点跟踪。 文将传统的PID控制引入到模糊控制当中，提

目前已知MPPT算法主要有固定电压法、出模糊/PID控制的双模组合控制算法。在大偏扰动观察法、电导增量法、模糊控制法和神经差范围内采用模糊控制进行快速响应调整,在网络法等。固定电压法简单且容易实现，但忽小偏差范围内的精度调整采用常规PID控制,略了温度对开路电压的影响，所以并不能完全两种算法通过阈值比较的方式进行切换。两种跟踪最大功率点。扰动观察法和电导增量法同算法互为有益的补充，实现了控制系统快速性为MPPT经典算法，但扰动观察法抗干扰能力和精确性的统一[2]。 较差，容易发生误判现象，电导增量法控制复2. 光伏电池特性 杂，对硬件要求高，需要高精度的A/D转换器；光伏电池无需外加电压，可以直接将太阳两种算法跟踪步长设置大小都会影响系统的动能转换成电能，并驱动负载工作，其工作机理

*基金项目: 2011年江苏省轨道交通控制工程技术研发中心开放基金项目 (KFJJ2011006)

1

是光生伏特效应，即吸收光辐射而产生电动势。根据光伏电池的工作原理，以及影响光伏电池工作效能的因素，我们可以用下式所示的数学方程来表示光伏电池的输出电流与输出电压的关系:

I?I?I??q(V?RsI)??V?RsIph0? (1)

?exp??nKT???1???Rsh式中，I：光伏电池的输出电流(A)；V：光伏电池的输出电压(V)；q：一个电子所含的电荷量(l.6×10-19C)；K：波尔兹曼常数(l.38×10-23J/K)；T：光伏电池板表面温度(K)；n：光伏电池的理想因数；I0：表示光伏电池的逆向饱和电流。

在Matlab中建立光伏电池数学模型，绘制不同辐照度和不同温度条件下的P-V曲线如图1和图2所示。其中图1标注为辐照度，单位为W/m2；图2标注为阵列表面温度，单位为℃。由特性曲线可以看出光伏电池的输出功率是随其输出电压的不同而不断变化的，特定光照和温度条件下光伏发电系统存在单峰值最大功率点，这为我们进行最大功率点跟踪找到了理论依据[3]。

图1 相同温度不同光照的P-V曲线

图2 相同光照不同温度的P-V曲线

3 光伏阵列MPPT原理

光伏组件的输出存在着功率最大点，在特定的光照和温度条件下，组件能否工作在最大功率点取决于组件所带负载大小。外界的环境因素，通常是无法人为改变的，光照和温度在一天中是变化的，光伏阵列的输出特性也随之变化，要使阵列始终能够输出最大功率，必须适变接入负载。

通常的光伏发电系统最大功率跟踪器是一个DC-DC变换器，选择Boost电路作为系统DC-DC变换电路。其阻抗变换关系如式（2）所示，其中:R’： Boost电路等效输入阻抗，D：开关占空比，RL：负载阻抗，式中不考虑Boost电路的自身功率损耗。

R'?Vi?Vo*(1?D)?Vo*(1?D)2?RL*(1?D)2 (2) IiIo/(1?D)Io由式（2）可知光伏阵列所接的等效负载是DC-DC变换器占空比D和其所带负载的函数，调节变换器的占空比即可达到改变光伏阵列等效负载的目的，使之在不同的外部环境下始终跟随光伏阵列的内阻变化，两者动态负载匹配时就可以获得光伏组件的最大输出功率，从而实现最大功率点跟踪。于是论文提出一种基于占空比扰动的MPPT控制方法。

图3是P-D关系示意图，其中P为光伏系统输出功率，D为DC-DC变换器开关管PWM信号占空比，并且当dP/dD=0时，输出功率达到最大。直接把占空比信号作为控制变量，只需要控制一个参数，从而使控制器简单且便于实现，有利于降低系统成本。

图3 光伏系统P-D特性曲线

3 模糊PID控制的基本原理

模糊PID双模控制系统结构如图4所示，系统工作时先根据当前功率值和占空比值来判

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断其运行在哪个工作区，然后根据不同的工作区采取不同算法进行跟踪控制。在大偏差范围内采用模糊控制进行快速响应调整，在小偏差范围内的精度调整采用常规PID控制。通过开关函数在两种控制方式之间切换，图中k1、k2是设定的模糊控制器和PID控制器的转换阈值，当满足时采k1

3.1 模糊控制设计

3.1.1 确定输入输出量及模糊子集

基于扰动观察法的原理，根据功率值的变化量和前一时刻的占空比调整步长，来决定本时刻的占空比调整步长。取目标函数为光伏电池的输出功率，控制量为用来控制开关管的PWM信号的占空比D[5]。

图5为模糊控制原理框图，模糊自寻优控制器的第n时刻的输入量为第n时刻的功率变化量E(n)和第n-1时刻的占空比步长值S(n-1)，第n时刻的输出量为第n时刻的占空比步长值S(n)。Ke、Ka为量化因子，负责将功率变化量e(n)和占空比步长s(n)的实际值量化映射到模糊集合论域E(n)和S(n)[6]。

图5 光伏系统模糊控制原理图

将语言变量E，S 分别定义为8个和6个模糊子集，其中S(n-1)和S(n)变量子集和论域相同，统一将其命名为S。

E ={NB , NM , NS, NO, PO, PS, PM , PB} S ={NB, NM, NS, PS, PM, PB}

其中NB、NM、NS、NO、PO、PS、PM、PB分别表示负大，负中，负小，负0，正0，正小，正中，正大模糊概念。并将它们论域规定为14个和12个等级，即：

E={-6,-5,-4,-3,-2,-1,-0,+0,+1,+2,+3,+4,+5,+6}

S={-6,-5,-4,-3,-2,-1,+1,+2,+3,+4,+5,+6} 3.1.2 隶属度函数的确立

根据光伏系统的特点，选择三角形状作为隶属度函数的形状，并且曲线距离原点越近，曲线越陡，表明其分辨率越高；距离原点越远，曲线越缓，表明其分辨率越低。功率差E和步长S的隶属函数如图6所示，其中(a)图为功率差E的隶属函数，(b)图为步长S的隶属函数。

图6 功率差E和步长S的隶属函数 3.1.3 模糊决策表

根据光伏系统输出功率P与占空比D之间的特性曲线分析，可以得到如下原则：

1、若输出功率增加，则继续向原来步长调整方向，否则取相反的方向。

2、离最大功率点较远处，采用较大步长以加快跟踪速度，离最大功率点附近，采用较小的步长，减少搜索损失；

3、当温度、光照强度等因素发生变化导致光伏系统功率发生较大变化时，系统能迅速作出反应。

根据上述原则，应用IF E(n) AND S(n-1) THEN S(n)模糊规则，最后得到模糊规则表，如表1所示[7]。

表1 S(n)模糊控制规则表

S(n-1) E(n)

NB NM NS NO PO PS PM PB NB PB PM PS

PS

NS NS NS NS NM PB PB PM PS NS NS NS NS NS PB PB PM PS NS NS NS

NS PS NS NS NS NS PS PM PB PB PM NS NS NS NS PS PM PB PB

PB

NS

NS

NS

NS

PS

PS

PM PB

3

3.1.4 解模糊方法确立

通过模糊推理得到的通常是一个模糊集合或者隶属函数，而实际控制中需要一个精确的控制量，将模糊推理得到的模糊输出变换成精确输出的过程就是解模糊过程，解模糊的方法有重心法、最大隶属度法、平均法、加权平均法等，此处选用具有较高精度的重心法[8]。 3.2 模糊PID控制

光伏系统MPPT采用模糊控制具有较佳的响应速度和自适应性，但是由于光伏系统和模糊控制的特点，若仅采用模糊控制算法，则系统很难稳定在最大功率点上，严重时甚至发生振荡，具有较大的能量损失。为了解决此问题，在模糊控制的基础引入传统的PID控制。 4 模糊PID控制仿真分析 4.1 仿真模型

根据光伏阵列的数学模型，在Matlab建立太阳能电池模型。太阳能电池在标准测试条件下(辐照度1000W/m2，温度25℃)参数如下：最大功率60.0W，峰值工作电流3.51A，峰值工作电压17.2V，短路电流3.75A，开路电压21.0V，电流温度系数2.06mA/℃,电压温度系数-0.07V/℃。

利用Matlab/Simulink搭建光伏发电系统模糊PID控制仿真系统如图7所示。其中光伏电池模型，Boost电路采用嵌入函数的形式；模糊控制器和PID调节器采用子系统封装的形式。输出功率P和占空比D通过延时模块实现一个采样周期的延时；占空比的输出值为上次输出值与扰动步长的累加。逻辑判断函数实现根据k1

图7 模糊PID仿真电路图

4.2 仿真结果

设置仿真参数如下：仿真时间1s，仿真算法为ode23tb，步长0.001s，占空比初始值为

0，系统初始工作条件为辐照度800W/m2

，温度

为15℃，在0.4s时辐照度由800W/m2

变化到

1000W/m2

，在0.7s时温度由15℃变化-15℃。为便于观察控制效果，需要开展模糊控制和模糊PID算法的对比研究，即分别对采用模糊控制和模糊PID双模控制进行仿真，观察两种算法的功率输出波形，其结果如图8、图9所示。

由图中可见，两种算法在系统开始运行时，均能快速跟踪到最大功率点，并很快趋于稳定，当外界环境(光照或是温度)发生变化时，两种算法均能快速响应，表明两种控制方法均具有良好的准确性和快速性。但是如果只是单纯地采用模糊控制时，系统趋于稳态时，并没有稳定在最大功率点，而是在最大功率点附近上下振荡，造成一定的功率损失；而采用模糊PID双模控制时，当系统趋于稳态时，功率输出近似于一个常值，几乎没有波动，说明在模糊控制中加入PID控制，其消除静差效果是显著的。

图8 功率输出曲线(模糊控制)

图9 功率输出曲线(模糊PID控制) 4 结束语

为进一步提高光伏发电MPPT控制品质，对常规模糊控制算法进行了改进，提出了基于占空比扰动的模糊PID双模控制策略，即通过直接将占空比作为控制变量，在模糊控制基础上加入了传统的PID控制。通过建立仿真模型，

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分别对模糊控制和模糊PID双模控制算法进行仿真，比较了两种方法的控制效果。仿真结果表明，模糊PID双模控制算法能迅速感知外界环境变化，快速跟踪光伏电池最大功率点，具有良好的动态性能，同时引入的PID控制能有效消除最大功率点附近的振荡现象，提高了系统稳定性，整个双模控制实现了MPPT精确性和快速性的兼备。 参考文献：

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[4] 乔兴宏, 吴必军, 邓赞高, 等. 模糊/PID双

联系方式：（表格不要截断） 第一作者 其他作者 题 目 模糊PID控制在光伏发电MPPT中的应用 模控制在光伏发电MPPT中应用[J]. 电力自

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1、黄克亚（1982-），男（汉），江苏淮安人，硕士，讲师、软件设计师，研究方向：光伏技术应用。

通信地址 江苏省苏州市相城区济学路8号自控系403室 邮编 第一作者 手机、电子邮箱 13913238421 2102600@qq.com 导师/其他作者 手机、电子邮箱 黄克亚 215137

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