一种改进型的光伏最大功率点跟踪实现方法与流程

1.本发明涉及光伏发电技术领域，尤其是指一种改进型的光伏最大功率点跟踪实现方法。


背景技术：

2.近几年，对于太阳能光伏发电系统mppt(最大功率点跟踪)，许多的科研人员开展了创新和研究，提出了较多的控制策略。总结来说，根据其现实的机制与控制算法特点特征可以分为三大类：基于优化数学模型的间接控制策略、基于采样数据的直接控制策略与基于先进控制理论mppt算法。
3.1、基于优化数学模型的间接控制策略，重点包含短路电流系数法、开路电压系数法、恒定电压法。恒定电压法，主要根据当温度不变时，而外部环境的光照强度变化时，太阳能光伏电池的就会输出是一簇单峰值功率特性曲线，则太阳能光伏电池将保持在最大功率点附近运作。但是，太阳能光伏电池对外部温度的要求比较苛刻，一旦外部的温度发生突变时，将会对系统带来较大的误差。短路电流系数法和开路电压系数法，两者在原理上相同，都是在恒定电压法的基础上进行改进，主要是应对温度变化所带来的偏差，但不足的地方在于需要周期性地开断负载和太阳能光伏电池去检测开路端电压，这会造成很大的功率损耗，得出的不一定是最大功率点。
4.2、基于采样数据的直接控制策略，重点包含扰动观察法、电导增量法等，这一类基本控制策略的特征是，需要连续地采集相关太阳能光伏电池的端电流和端电压的数值，利用该类控制策略去直接控制(例如，占空比d)目标系统的工作点，其鲁棒性能较好，精度较高。两者的共同之处就是对于太阳能光伏电池的输出电压需要施加不断的扰动去追踪mpp，差别在于电导增量法如果达到了mpp(最大功率点)就不需要给予扰动。
5.3、基于先进控制理论mppt的算法，这一类基本算法的特征是，需要先进的控制理论基础为前提，然后对于太阳能光伏发电系统功率输出特性所具有的时不变性与强非线性特点，提出了这些新的控制算法，比如模糊逻辑控制算法、滑模变结构、神经网络控制算法等。神经网络控制算法运用在mppt上时，有较高的控制精度，但需要大量地训练光伏电池板的输出输入参数，才能获得相应的控制规则，若电池板不同，参数就会不同，训练较久，操作繁琐。滑模变结构的控制量是s，若s《0，则u＝1；若s≥0，则u＝0。利用开关不断变化的特点，强迫系统在允许范围内的状态轨道周边做较高频率与较小幅度的上下滑模运动，以此保持并运行在预设的滑动曲面上。
6.但是现有的太阳能光伏发电系统最大功率点跟踪策略，在太阳能光伏板开始工作后，跟踪的最大功率点容易产生振荡导致追踪的准确性下降，具体运用时仍有不足。


技术实现要素：

7.本发明的目的是克服现有技术中的太阳能光伏发电系统最大功率点跟踪策略在太阳能光伏板开始工作后，跟踪的最大功率点容易产生振荡导致追踪的准确性下降的缺
点，提供一种改进型的光伏最大功率点跟踪实现方法。
8.本发明的目的是通过下述技术方案予以实现：一种改进型的光伏最大功率点跟踪实现方法，包括以下步骤：步骤1，确定光伏电池输出特性；步骤2，根据光伏电池输出特性，通过变步长的算法对光伏电池输出功率进行快速跟踪；步骤3，通过模糊控制策略获取光伏电池的最大功率。
9.作为优选，所述的步骤1具体为：步骤1a，构建光伏电池的等效电路模型，将光伏电池的等效电路模型的输出电流转化成数学模型方程：公式1是超越式方程，其中：i
pv
代表光伏电池输出电流；i
ph
代表光生伏打的电流；r
sh
代表等效并联电阻；ns代表串联电池的数数；rs代表等效串联电阻；i0代表二极管半导体的反向的饱和电流；k代表玻尔兹曼常数；r
l
代表外接负载电阻；步骤1b，构建工程型的太阳能光伏电池模型，包括输出电流和输出电压，即：步骤1b，构建工程型的太阳能光伏电池模型，包括输出电流和输出电压，即：其中：其中：其中：φ＝β(t-tb)+dirs其中：sb代表标准光照辐射强度，tb代表环境温度，α代表电流的温度系数，β代表电
压的温度系数，s代表现实工作光照辐射的强度，t代表现实工作环境的温度，um代表光伏电池在最大功率点的电压，im代表光伏电池在最大功率点的电流；步骤1c，确定太阳能光伏电池的输出功率方程：步骤1d，根据公式2、公式3及公式4模拟经验函数曲线图，选取光伏电池的相关仿真参数。
10.作为优选，所述的步骤2具体为：首先对太阳能光伏电池的输出功率方程求一阶导数，标准测试状况下，p＇(u)若数学函数工作在最大功率点左侧，p＇(u)为正；若数学函数工作在最大功率点右侧，p＇(u)为负，这与扰动方向的要求基本吻合，且左右侧是∣u-um∣单调减函数，符合步长变化的参数要求；变步长的算法满足以下公式：d(k)＝d(k-1)
±
an(δp/δu)
ꢀꢀꢀ
(6)其中：d(k)为第k个周期的占空比；n为调整变步长的系数，a是可调常数；n＝arctan[p＇(u)]，a按照实际输出特性取值较大。
[0011]
作为优选，改进型的光伏最大功率点跟踪实现方法还建立仿真模型，通过仿真模型输出仿真结果对改进型的光伏最大功率点跟踪实现方法的稳定性和有效性进行判断。
[0012]
作为优选，所述的模糊控制策略为非对称模糊控制策略。
[0013]
本发明的有益效果是：本发明在传统变步长算法的基础上，针对定步长跟踪的精度与mpp附近出现振荡的缺陷，设计的优化步长参数并结合非对称模糊的控制策略，与传统定步长mppt方法进行对比，本发明方法具有较好的动态性能。当外部光照强度环境参数发生改变时，太阳能光伏发电系统也可以迅速而精确的追踪到最大功率点，表现出良好的稳定性。
附图说明
[0014]
图1是本发明的一种流程图；图2是本发明太阳能光伏发电的等效电路图；图3是本发明变步长参数的变化率示意图；图4是本发明非对称模糊控制策略框图；图5是本发明模糊pi参数的自整定结构框图；图6是本发明模糊pi工作流程图；图7是本发明输出量δkp的模糊规则图形；
图8是本发明输出量δki的模糊规则图形；图9是本发明光伏发电系统仿真模型图；图10是本发明仿真结果对比图。
具体实施方式
[0015]
下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。
[0016]
实施例：一种改进型的光伏最大功率点跟踪实现方法，如图1所示，包括以下步骤：步骤1，确定光伏电池输出特性；步骤2，根据光伏电池输出特性，通过变步长的算法对光伏电池输出功率进行快速跟踪；步骤3，通过模糊控制策略获取光伏电池的最大功率。
[0017]
所述的步骤1具体为：步骤1a，构建光伏电池的等效电路模型，如图2所示，太阳能光伏电池，实质上是通过其半导体材质实现光能的物化反应，把太阳能转化成电能。具体的太阳能光伏发电等效电路模型。但是随着外界环境的工作温度以及太阳能光照强度等因素的变化，太阳能发电具有间歇性、非线性现象。
[0018]
将光伏电池的等效电路模型的输出电流转化成数学模型方程：公式1是超越式方程，其中：i
pv
代表光伏电池输出电流；i
ph
代表光生伏打的电流；r
sh
代表等效并联电阻；ns代表串联电池的数数；rs代表等效串联电阻；i0代表二极管半导体的反向的饱和电流；k代表玻尔兹曼常数；r
l
代表外接负载电阻；步骤1b，构建工程型的太阳能光伏电池模型，包括输出电流和输出电压，即：步骤1b，构建工程型的太阳能光伏电池模型，包括输出电流和输出电压，即：其中：
φ＝β(t-tb)+dirs其中：sb代表标准光照辐射强度，tb代表环境温度，α代表电流的温度系数，β代表电压的温度系数，s代表现实工作光照辐射的强度，t代表现实工作环境的温度，um代表光伏电池在最大功率点的电压，im代表光伏电池在最大功率点的电流；步骤1c，确定太阳能光伏电池的输出功率方程：步骤1d，根据公式2、公式3及公式4模拟经验函数曲线图，选取光伏电池的相关仿真参数。
[0019]
具体建模参数分别如表1和表2所示。
[0020]
表1光伏阵列工程参数参数名称数值um最大功率点电压36.5vim最大功率点电流5.2au
oc
开路电压45.5vi
sc
短路电流5.6vp
max
最大功率190.5w表2光伏阵列仿真的拟合参数表2光伏阵列仿真的拟合参数由于传统定步长的跟踪精度和响应速度都有一定程度上的缺点，因此科研人员大多采纳变步长的控制策略。其一般分为两种：1、依据相关光伏输出功率的一次导数值大小，赋予快慢不同的步长值；
2、把光伏输出功率的一次导数曲线p＇(u)导数值作为扰动变步长的参数，由此步长将在最大功率点两侧做自适应性的相关调整。比如，若工作于最大功率点左侧，则进行正向扰动；若在右侧时，则反向扰动，当越接近最大功率点时，步长会自动越小。
[0021]
本方案采用第二种，故所述的步骤2具体为：首先对太阳能光伏电池的输出功率方程求一阶导数，标准测试状况下，p＇(u)若数学函数工作在最大功率点左侧，p＇(u)为正；若数学函数工作在最大功率点右侧，p＇(u)为负，这与扰动方向的要求基本吻合，且左右侧是∣u-um∣单调减函数，符合步长变化的参数要求；变步长的算法满足以下公式：d(k)＝d(k-1)
±
an(δp/δu)
ꢀꢀꢀ
(6)其中：d(k)为第k个周期的占空比；n为调整变步长的系数，a是可调常数；n＝arctan[p＇(u)]，a按照实际输出特性取值较大。
[0022]
如图3所示，变步长系数n的一阶导数，依照高等函数中的反三角求导公式得如图3所示，变步长系数n的一阶导数，依照高等函数中的反三角求导公式得本文为了取得更好的效果，通过把变步长和非对称的模糊控制进行了相结合。当光伏输出工作在远离mpp时，优化的变步长会使其迅速靠近mpp，但当逐步接近mpp预设的核心范围区间时，此时，通过非对称的模糊逻辑控制对其进行寻优。
[0023]
改进型的光伏最大功率点跟踪实现方法还建立仿真模型，通过仿真模型输出仿真结果对改进型的光伏最大功率点跟踪实现方法的稳定性和有效性进行判断。
[0024]
具体为，在matlab/simulink建立仿真模型，仿真模型由光伏电池、boost电路及电阻性负载组成。如图9所示。部分参数为：太阳能光伏电池最大的电流是i
sc
＝3.5a，最大功率点的电流是im＝3a，最大输出电压v
oc
＝600v，最大功率点电压vm＝380v，电阻r＝100ω。模糊pi控制器初始参数k
p
＝4.5，ki＝20.5。光伏发电系统里面两个电容c的值从左到右依次为10e-6f、1e-6f，电感l值设为200e-3h，仿真采用ode45算法。仿真设定光伏电池面板温度t＝25℃，光照强度s由骤升至1200w/m2再骤降至800w/m2分别对定步长、变步长和改进的变步长的mppt技术进行仿真。仿真结果如图10所示。
[0025]
从图10中能够看出采用结合后的优化变步长和模糊控制mppt算法可以较好地追踪到最大功率点，当太阳能光伏板开始工作时，两种控制策略都可跟踪到最大功率点，然而，优化后的变步长和非对称的模糊mppt控制算法运行更加平稳，无较大的振荡，当外部光照强度环境参数发生改变时，太阳能光伏发电系统也可以迅速而精确的追踪到最大功率点，表现出良好的稳定性。整个过程中，采用结合后的优化变步长和非对称的模糊控制算法
比传统的定步长mppt控制策略优异些。
[0026]
所述的模糊控制策略为非对称模糊控制策略。
[0027]
太阳能光伏发电的输出特性曲线很难用比较精准的数学模型去表示，具有很强的非线性特征。太阳能光伏电池的最大功率点跟踪也不需要特别的光伏电池模型，只需要不断地调整可控参数值，使其输出特性曲线逐渐靠近mpp，这个过程正好符合了对于被控目标对象的模糊控制特征。因此，对于太阳能光伏电池的最大功率点跟踪采用模糊控制就相对合适。如图4所示，为非对称fuzzy控制策略的框图。
[0028]
模糊pi参数的自整定结构框图，如图5所示。它的基本原理是：先把实时检测的系统并网电流的每个周期里的数值igrid，通过其反馈电路，与规定的电网电流值iref作比较，得出误差信号e，然后，把误差信号e，依次输入到模糊控制器与pi控制器当中。模糊控制器依据相应的模糊规则把输入误差的变化率与输入误差，得出的输出变量δkp与δki送到pi控制器中，与预先设定好的kpo、ki0分别进行计算，从而达到实时调整的效果。
[0029]
模糊pi参数自整定的计算公式为：模糊pi参数自整定是找出pi的两个参数kp，ki与误差e、误差变化ec之间的模糊关系，运行中不断检测e和ec，根据控制原理对两个参数在线修改，用以满足在e和ec不同时对控制参数的要求，从而使系统具有良好的动、静态性能。在线运行时，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算，从而完成对pi参数的在线调整。具体的工作流程如图6所示。
[0030]
本文利用matlab/simulink工具箱具体实现了模糊pi控制，该工具箱具有简单易懂，方便调节参数的特点。按照此规则设置模糊工具箱，隶属度函数选为三角函数，误差e和误差的变化率ec的论域分别是[-150，150]、[-3.5，0.5]输出的模糊规则图形如图7、图8所示。
[0031]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
[0032]
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式；凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

技术特征：
1.一种改进型的光伏最大功率点跟踪实现方法，其特征是，包括以下步骤：步骤1，确定光伏电池输出特性；步骤2，根据光伏电池输出特性，通过变步长的算法对光伏电池输出功率进行快速跟踪；步骤3，通过模糊控制策略获取光伏电池的最大功率。2.根据权利要求1所述的一种改进型的光伏最大功率点跟踪实现方法，其特征是，所述的步骤1具体为：步骤1a，构建光伏电池的等效电路模型，将光伏电池的等效电路模型的输出电流转化成数学模型方程：公式1是超越式方程，其中：i
pv
代表光伏电池输出电流；i
ph
代表光生伏打的电流；r
sh
代表等效并联电阻；n
s
代表串联电池的数数；r
s
代表等效串联电阻；i0代表二极管半导体的反向的饱和电流；k代表玻尔兹曼常数；r
l
代表外接负载电阻；步骤1b，构建工程型的太阳能光伏电池模型，包括输出电流和输出电压，即：步骤1b，构建工程型的太阳能光伏电池模型，包括输出电流和输出电压，即：其中：其中：其中：φ＝β(t-t
b
)+dir
s
其中：s
b
代表标准光照辐射强度，t
b
代表环境温度，α代表电流的温度系数，β代表电压的温度系数，s代表现实工作光照辐射的强度，t代表现实工作环境的温度，um代表光伏电池在
最大功率点的电压，im代表光伏电池在最大功率点的电流；步骤1c，确定太阳能光伏电池的输出功率方程：步骤1d，根据公式2、公式3及公式4模拟经验函数曲线图，选取光伏电池的相关仿真参数。3.根据权利要求2所述的一种改进型的光伏最大功率点跟踪实现方法，其特征是，所述的步骤2具体为：首先对太阳能光伏电池的输出功率方程求一阶导数，标准测试状况下，p
＇
(u)若数学函数工作在最大功率点左侧，p
＇
(u)为正；若数学函数工作在最大功率点右侧，p＇(u)为负，这与扰动方向的要求基本吻合，且左右侧是∣u-u
m
∣单调减函数，符合步长变化的参数要求；变步长的算法满足以下公式：d(k)＝d(k-1)
±
an(δp/δu)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)其中：d(k)为第k个周期的占空比；n为调整变步长的系数，a是可调常数；n＝arctan[p＇(u)]，a按照实际输出特性取值较大。4.根据权利要求1所述的一种改进型的光伏最大功率点跟踪实现方法，其特征是，还建立仿真模型，通过仿真模型输出仿真结果对改进型的光伏最大功率点跟踪实现方法的稳定性和有效性进行判断。5.根据权利要求1所述的一种改进型的光伏最大功率点跟踪实现方法，其特征是，所述的模糊控制策略为非对称模糊控制策略。

技术总结
本发明公开了一种改进型的光伏最大功率点跟踪实现方法，包括以下步骤：步骤1，确定光伏电池输出特性；步骤2，根据光伏电池输出特性，通过变步长的算法对光伏电池输出功率进行快速跟踪；步骤3，通过模糊控制策略获取光伏电池的最大功率。本发明在传统变步长算法的基础上，针对定步长跟踪的精度与MPP附近出现振荡的缺陷，设计的优化步长参数并结合非对称模糊的控制策略，与传统定步长MPPT方法进行对比，本发明方法具有较好的动态性能。当外部光照强度环境参数发生改变时，太阳能光伏发电系统也可以迅速而精确的追踪到最大功率点，表现出良好的稳定性。好的稳定性。好的稳定性。


技术研发人员：尹聪聪 高明 俞建 杨立明 孙吉裕 张雨前
受保护的技术使用者：国网浙江省电力有限公司宁波供电公司
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/8/5