本發(fā)明涉及MPPT算法技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于改進型FIR濾波器預(yù)測的MPPT滯環(huán)控制算法。

背景技術(shù)：

目前，通常用到的MPPT算法有擾動觀察法、模糊控制法。擾動觀察法也稱為爬山法，它的基本思想是：首先擾動光伏電池的輸出電壓，然后觀測光伏電池輸出功率的變化，根據(jù)功率變化的趨勢連續(xù)改變擾動電壓方向。由于實際檢測和控制精度的限制，而電壓擾動的步長一定，那么一定會出現(xiàn)震蕩問題，又由于外部環(huán)境是時刻變化的，光伏電池的P-U特性曲線時刻變化，就有可能發(fā)生誤判。模糊控制是以模糊集合理論為基礎(chǔ)的一種新興的控制手段，它的基本思想是：系統(tǒng)將采樣得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過運算，判定出工作點與最大功率點之間的位置關(guān)系，自動校正工作點電壓值，使工作點趨于最大功率點。模糊控制過程需要采樣得到數(shù)據(jù)，然后計算，再模糊化、模糊推理運算、清晰化，最后再得出結(jié)果，此方法過程比較復(fù)雜，需要較高運算速度的CPU，模糊化的語言變量選取要適當(dāng)，清晰化的的計算比較發(fā)雜，所以在實際應(yīng)用中較難實現(xiàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種基于改進型FIR濾波器預(yù)測的MPPT滯環(huán)控制算法，不僅追蹤速度、控制精度和誤判和震蕩優(yōu)于現(xiàn)有的擾動觀測法，而且克服了傳統(tǒng)自適應(yīng)濾波算法的不足，通過構(gòu)造合適的變步長因子，在提高收斂速度的同時保證了良好的穩(wěn)態(tài)性能且易于編程實現(xiàn)。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種基于改進型FIR濾波器預(yù)測的MPPT滯環(huán)控制算法，

1)首先根據(jù)FIR濾波器的原理，光伏陣列輸出功率P可以表示為當(dāng)前和過去工作電壓的線性組合：

式中，V_N(n)—自適應(yīng)預(yù)測器當(dāng)前和過去工作電壓的向量；H′_N—自適應(yīng)預(yù)測器的系數(shù)向量；—自適應(yīng)預(yù)測器的預(yù)測輸出功率；N—線性組合的數(shù)量；h_k—系數(shù)向量的各元素。

2)改進型自適應(yīng)調(diào)整

光伏發(fā)電系統(tǒng)處于劇烈變化的外界環(huán)境之中，為了保證預(yù)測算法對系統(tǒng)時變性和環(huán)境不確定性的適應(yīng)，而預(yù)測器的系數(shù)向量決定了自適應(yīng)機制的預(yù)測精度，所以必須對預(yù)測器系數(shù)根據(jù)實時數(shù)據(jù)進行在線滾動優(yōu)化，即系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整；

所謂預(yù)測器系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整就是根據(jù)預(yù)測誤差，采取一定準則在線優(yōu)化系數(shù)，采用的優(yōu)化準則是以預(yù)測誤差的最小均方值為基準，為了提高算法的收斂速度同時提高算法穩(wěn)態(tài)性能，采用改進型LMS算法：

定義ε(n)為e²(n)的期望值，即均方誤差：ε(n)＝E[e²(n)]；

代入可得：ε(n)＝E[P(n)-H′_NV_N(n)]²

為了使ε(n)最小，通過對式ε(n)＝E[P(n)-H′_NV_N(n)]²采用微分置零法得到N個方程，求解可得預(yù)測器系數(shù)：

式中，X_N：P(n)與V(n)的互相關(guān)量；R_NN：V(n)的自相關(guān)矩陣；

一般來講，預(yù)測器的系數(shù)調(diào)整可由上式獲得，但當(dāng)N較大時，計算量較大，不利于數(shù)字處理器上編程實現(xiàn)。

實際應(yīng)用中，可采用遞推方式進行求解，常用最陡梯度法：

H_N(n+1)＝H_N(n)+2μe(n)V_N(n)，

式中，μ：步長因子，其大小影響每次迭代在最陡方向行進長度；e(n)為期望輸出功率值與預(yù)測輸出功率值之間的誤差，即：H_N(n)為自適應(yīng)預(yù)測器的系數(shù)。

可證明，只要μ取值恰當(dāng)，從任何H_N(0)出發(fā)，總能使預(yù)測器系數(shù)收斂至

但是采用這種迭代法計算使均方誤差最小的預(yù)測器系數(shù)向量時，仍需計算X_N和R_NN，存在較復(fù)雜的矩陣運算；

因此，為了減少計算量，Widrow提出了一種有效的簡化方法，并推導(dǎo)出最陡梯度迭代法的近似實現(xiàn)形式:H_N(n+1)＝H_N(n)+2μe(n)V_N(n)。

這就是Widrow-Hoff LMS算法，在對預(yù)測器系數(shù)進行初值設(shè)置后，就可以通過在線更新迭代，使誤差均方值最?。粸榱思涌煜到y(tǒng)的收斂速度以及提高穩(wěn)態(tài)性能，本設(shè)計在其基礎(chǔ)上采用可變步長因子μ_n，且μ_n＝α*μ_n-1+βe²(n)，其中α和β根據(jù)工程實際情況加以改變。

根據(jù)上述描述的自適應(yīng)預(yù)測機制，設(shè)計出基于改進型FIR模型的自適應(yīng)預(yù)測算法步驟為：

(1)根據(jù)光伏系統(tǒng)功率特征，初始化H_N(0)、μ₀；

(2)輸入功率信號經(jīng)過自適應(yīng)預(yù)測機制，輸出

(3)經(jīng)過一個延時環(huán)節(jié)z^-1，輸出

(4)計算

(5)根據(jù)μ_n＝α*μ_n-1+βe²(n)，更新μ_n；

(6)計算H_N(n+1)＝H_N(n)+2μ_ne(n)V_N(n)。

至此一次滾動優(yōu)化計算完成，新的迭代計算周期到來時，返回第二步，開始新的滾動優(yōu)化計算；

在滯環(huán)控制中，以當(dāng)前工作點A點為中心，前后(大于和小與當(dāng)前工作電壓)各取一點(B點、C點)形成滯環(huán)，PA為當(dāng)前工作電壓的光伏陣列輸出功率，PB為預(yù)測到的A點后的工作電壓光伏陣列輸出功率，PC為預(yù)測到的A點前工作電壓的光伏陣列輸出功率，

定義：PA>PC時，記為“+”，PB>PA時，記為“+”，反之均記做“-”，

通過三點之間功率的比較判斷，可以得出基于滯環(huán)的電壓擾動規(guī)則如下：

規(guī)則1：如果兩次擾動的功率比較均為“+”，則電壓保持原方向擾動；

規(guī)則2：如果兩次擾動的功率比較均為“-”，則電壓值反方向擾動；

規(guī)則3：如果兩次擾動的功率比較有“+”有“-”，可能已經(jīng)達到最大功率點或者外部輻照變化很快，則電壓不變；

輸入電壓信號經(jīng)過自適應(yīng)預(yù)測機制預(yù)測左右兩個工作電壓的光伏陣列的輸出功率，進入滯環(huán)控制判定擾動方向，從而確定占空比，占空比與三角波進行比較后，生成驅(qū)動開關(guān)器件的PWM脈沖信號，實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)負載，最終實現(xiàn)最大功率點跟蹤控制。

本發(fā)明結(jié)合了改進型預(yù)測算法與滯環(huán)控制的MPPT算法，通過預(yù)測算法預(yù)測當(dāng)前工作電壓左右兩點工作電壓所對應(yīng)的光伏陣列輸出功率，并通過滯環(huán)控制判定下一次電壓的擾動方向，此方法提高了追蹤最大功率點的速度以及提高了追蹤精度，并且提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，減少在最大功率點位置的擾動。

本發(fā)明的有益效果是：

1：具有最大功率點跟蹤功能，提高系統(tǒng)的效率

2：提高最大功率點的跟蹤速度；

3：提高系統(tǒng)的控制精度；

4：提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)及穩(wěn)態(tài)性能；

5：抗環(huán)境干擾能力強；

6：防止因環(huán)境變化導(dǎo)致算法誤判最大功率點；

7：加入自適應(yīng)機制，不需要高精度數(shù)據(jù)傳感器，降低系統(tǒng)的成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明自適應(yīng)預(yù)測機制的原理框圖；

圖2為本發(fā)明滯環(huán)控制輸出功率記錄圖；

圖3為本發(fā)明預(yù)測機制的MPPT控制框圖；

圖4為本發(fā)明軟件流程圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進一步闡述本發(fā)明。

參見圖1-4：

一種基于改進型FIR濾波器預(yù)測的MPPT滯環(huán)控制算法，

1)首先根據(jù)FIR濾波器的原理，光伏陣列輸出功率P可以表示為當(dāng)前和過去工作電壓的線性組合：

式中，V_N(n)—自適應(yīng)預(yù)測器當(dāng)前和過去工作電壓的向量；H′_N—自適應(yīng)預(yù)測器的系數(shù)向量；—自適應(yīng)預(yù)測器的預(yù)測輸出功率；N—線性組合的數(shù)量；h_k—系數(shù)向量的各元素。

2)改進型自適應(yīng)調(diào)整

光伏發(fā)電系統(tǒng)處于劇烈變化的外界環(huán)境之中，為了保證預(yù)測算法對系統(tǒng)時變性和環(huán)境不確定性的適應(yīng)，而預(yù)測器的系數(shù)向量決定了自適應(yīng)機制的預(yù)測精度，所以必須對預(yù)測器系數(shù)根據(jù)實時數(shù)據(jù)進行在線滾動優(yōu)化，即系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整；

所謂預(yù)測器系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整就是根據(jù)預(yù)測誤差，采取一定準則在線優(yōu)化系數(shù)，采用的優(yōu)化準則是以預(yù)測誤差的最小均方值為基準，為了提高算法的收斂速度同時提高算法穩(wěn)態(tài)性能，采用改進型LMS算法：

定義ε(n)為e²(n)的期望值，即均方誤差：ε(n)＝E[e²(n)]；

代入可得：ε(n)＝E[P(n)-H′_NV_N(n)]²

為了使ε(n)最小，通過對式ε(n)＝E[P(n)-H′_NV_N(n)]²采用微分置零法得到N個方程，求解可得預(yù)測器系數(shù)：

式中，X_N：P(n)與V(n)的互相關(guān)量；R_NN：V(n)的自相關(guān)矩陣；

一般來講，預(yù)測器的系數(shù)調(diào)整可由上式獲得，但當(dāng)N較大時，計算量較大，不利于數(shù)字處理器上編程實現(xiàn)。

實際應(yīng)用中，可采用遞推方式進行求解，常用最陡梯度法：

H_N(n+1)＝H_N(n)+2μe(n)V_N(n)，

式中，μ：步長因子，其大小影響每次迭代在最陡方向行進長度；e(n)為期望輸出功率值與預(yù)測輸出功率值之間的誤差，即：H_N(n)為自適應(yīng)預(yù)測器的系數(shù)。

可證明，只要μ取值恰當(dāng)，從任何H_N(0)出發(fā)，總能使預(yù)測器系數(shù)收斂至

但是采用這種迭代法計算使均方誤差最小的預(yù)測器系數(shù)向量時，仍需計算X_N和R_NN，存在較復(fù)雜的矩陣運算；

因此，為了減少計算量，Widrow提出了一種有效的簡化方法，并推導(dǎo)出最陡梯度迭代法的近似實現(xiàn)形式:H_N(n+1)＝H_N(n)+2μe(n)V_N(n)。

這就是Widrow-Hoff LMS算法，在對預(yù)測器系數(shù)進行初值設(shè)置后，就可以通過在線更新迭代，使誤差均方值最??；為了加快系統(tǒng)的收斂速度以及提高穩(wěn)態(tài)性能，本設(shè)計在其基礎(chǔ)上采用可變步長因子μ_n，且μ_n＝α*μ_n-1+βe²(n)，其中α和β根據(jù)工程實際情況加以改變。

根據(jù)上述描述的自適應(yīng)預(yù)測機制，設(shè)計出基于改進型FIR模型的自適應(yīng)預(yù)測算法步驟為：

(1)根據(jù)光伏系統(tǒng)功率特征，初始化H_N(0)、μ₀；

(2)輸入功率信號經(jīng)過自適應(yīng)預(yù)測機制，輸出

(3)經(jīng)過一個延時環(huán)節(jié)z^-1，輸出

(4)計算

(5)根據(jù)μ_n＝α*μ_n-1+βe²(n)，更新μ_n；

(6)計算H_N(n+1)＝H_N(n)+2μ_ne(n)V_N(n)。

至此一次滾動優(yōu)化計算完成，新的迭代計算周期到來時，返回第二步，開始新的滾動優(yōu)化計算；

在滯環(huán)控制中，以當(dāng)前工作點A點為中心，前后(大于和小與當(dāng)前工作電壓)各取一點(B點、C點)形成滯環(huán)，PA為當(dāng)前工作電壓的光伏陣列輸出功率，PB為預(yù)測到的A點后的工作電壓光伏陣列輸出功率，PC為預(yù)測到的A點前工作電壓的光伏陣列輸出功率，

定義：PA>PC時，記為“+”，PB>PA時，記為“+”，反之均記做“-”，

通過三點之間功率的比較判斷，可以得出基于滯環(huán)的電壓擾動規(guī)則如下：

規(guī)則1：如果兩次擾動的功率比較均為“+”，則電壓保持原方向擾動；

規(guī)則2：如果兩次擾動的功率比較均為“-”，則電壓值反方向擾動；

規(guī)則3：如果兩次擾動的功率比較有“+”有“-”，可能已經(jīng)達到最大功率點或者外部輻照變化很快，則電壓不變；

如圖3所示，設(shè)定P(n)為這一時刻光伏陣列輸出功率，和為前后工作電壓所對應(yīng)的光伏陣列的輸出功率，d(n)為輸出占空比；輸入電壓信號經(jīng)過自適應(yīng)預(yù)測機制預(yù)測前后兩個工作電壓的光伏陣列的輸出功率，進入滯環(huán)控制判定擾動方向，從而確定占空比，占空比與三角波進行比較后，生成驅(qū)動開關(guān)器件的PWM脈沖信號，實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)負載，最終實現(xiàn)最大功率點跟蹤控制。

本發(fā)明結(jié)合了改進型預(yù)測算法與滯環(huán)控制的MPPT算法，通過預(yù)測算法預(yù)測當(dāng)前工作電壓前后兩點工作電壓所對應(yīng)的光伏陣列輸出功率，并通過滯環(huán)控制判定下一次電壓的擾動方向，此方法提高了追蹤最大功率點的速度以及提高了追蹤精度，并且提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，減少在最大功率點位置的擾動。

如圖1所示，系統(tǒng)首先通過A/D單元檢測當(dāng)前工作電壓的太陽能電池的輸出功率P(n)，采用自適應(yīng)預(yù)測機制預(yù)測當(dāng)前工作電壓前后兩點(大于和小與當(dāng)前工作電壓)工作電壓的太陽能電池的輸出功率和然后通過滯環(huán)控制規(guī)則比較當(dāng)前工作電壓及預(yù)測的前后兩點工作電壓所對應(yīng)的太陽能電池功率之間的關(guān)系，得到擾動方向，然后相應(yīng)的加大、減小或者保持當(dāng)前占空比。

這種基于改進型FIR濾波器預(yù)測的MPPT滯環(huán)控制算法，是在常規(guī)擾動觀測法的基礎(chǔ)上，加入滯環(huán)控制和自適應(yīng)預(yù)測機制，即在預(yù)測前后工作電壓的光伏陣列輸出功率的基礎(chǔ)上結(jié)合當(dāng)前工作電壓的輸出功率形成三點滯環(huán)控制，通過擾動規(guī)則的判定，確定擾動方向，在提高了跟蹤速度上同時兼顧了控制系統(tǒng)的精度，并且通過在線更新自適應(yīng)預(yù)測器的步長因子，提高系統(tǒng)的收斂性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，減少了損耗。新型的算法能夠彌補常規(guī)擾動觀測法在跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度上的不足，達到快速穩(wěn)定地實施MPPT控制，并大大減少了在最大功率點的震蕩、誤判，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)及穩(wěn)態(tài)性能。此外，此算法控制簡單，易于軟件編程實現(xiàn)。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。