一種光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及清潔能源的開發(fā)及利用的技術(shù)領(lǐng)域，尤其對于提高太陽能的利用率及 光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率具有重要的意義。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著環(huán)境和能源壓力的日益增加，清潔能源的開發(fā)和利用逐漸成為主流，其中太 陽能憑借其取之不盡，用之不竭且無污染的優(yōu)勢在新能源發(fā)電領(lǐng)域脫穎而出。但其主要存 在的問題是太陽能發(fā)電的效率問題，由于外界環(huán)境時(shí)刻處于動(dòng)態(tài)變化中，光伏陣列的輸出 功率也隨之改變，因此解決該問題的主要途徑之一就是進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。
[0003] 針對最大功率點(diǎn)跟蹤問題，國內(nèi)外學(xué)者已得出很多的研究成果，像經(jīng)典的恒定電 壓法、擾動(dòng)觀測法、電導(dǎo)增量法、模糊控制法等。這些最大功率點(diǎn)跟蹤方法可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)尋 優(yōu)，但均存在一些弊端，需要通過算法進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。其中恒定電壓法由于其結(jié)構(gòu)簡 單，易于實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)工作電壓具有良好的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，但其忽略了很多外 部條件，結(jié)果不夠準(zhǔn)確，為克服其不足，我們使用本發(fā)明對其進(jìn)行優(yōu)化。
[0004] 本發(fā)明通過將原問題轉(zhuǎn)化為拉格朗日函數(shù)，通過求解一系列子問題并通過改進(jìn)的 Armijo準(zhǔn)則進(jìn)行搜索，獲得補(bǔ)償因子來求出新的迭代點(diǎn)進(jìn)而解得原問題的最優(yōu)解。用該算 法來優(yōu)化恒定電壓法并將其應(yīng)用于最大功率點(diǎn)跟蹤，可在光輻射度和環(huán)境溫度變化的條件 下實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)穩(wěn)定地精確跟蹤。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決目前經(jīng)典最大功率點(diǎn)跟蹤方法中存在的問題，本發(fā)明提出了一種優(yōu)化的恒 定法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤的方法。該方法保留了經(jīng)典恒壓控制法簡單易實(shí)現(xiàn)且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的 優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能夠考慮外部環(huán)境的變化，進(jìn)行準(zhǔn)確地動(dòng)態(tài)尋優(yōu)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定精確跟蹤最大功率點(diǎn) 的目標(biāo)，提尚光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。
[0006] 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：
[0007] -種光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤優(yōu)化方法包括如下步驟:首先，根據(jù)光伏電池等效 電路得出光伏陣列數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)及約束函數(shù);其次，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)建 立拉格朗日函數(shù)，然后對拉格朗日函數(shù)進(jìn)行求解，確定其搜索方向及拉格朗日乘子;再次， 由改進(jìn)的Armijo準(zhǔn)則進(jìn)行搜索，確定最大功率點(diǎn)處電壓的補(bǔ)償因子，由此即可計(jì)算出新的 迭代點(diǎn)；最后，若電壓的收斂判別不滿足終止條件則對Hessian矩陣進(jìn)行更新，繼續(xù)迭代，直 到得出最大功率點(diǎn)處的最優(yōu)電壓解。
[0008] 上述光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤優(yōu)化方法具體包括下述步驟：
[0009] 步驟一，在考慮外界環(huán)境變化條件下，根據(jù)光伏電池的等效電路，構(gòu)建光伏陣列模 型，其電流模型如下所示：
[0010]
[0011]其中，I、U分別為一定環(huán)境條件下光伏陣列的電流和電壓，Isc為短路電流，U。。為開 路電壓，^為光伏組件并聯(lián)數(shù)目，Ns為光伏組件串聯(lián)數(shù)目，AU、△I分別為輻射照度和溫度變 化下的電壓、電流的變佔(zhàn)
式中 1^仏分別為光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)處的電流值和電壓值；
[0012]步驟二，將光伏陣列的輸出功率表達(dá)式作為目標(biāo)函數(shù)，即：
[0013]
[0014]其中，f為光伏陣列的輸出功率，在約束條件較為g:U>0時(shí)，建立拉格朗日函數(shù)L(υ，λ)如下所示：
[0015]
：?-1
[0016]其中λ為拉格朗日乘子，g(U)為約束條件表達(dá)式；
[0017]步驟三，對以上的拉格朗日函數(shù)利用
進(jìn)行求解，其 中dk為搜索方向，Hk為第k次搜索的Hessian矩陣的正定擬牛頓近似，由此確定第k次搜索的 方向d和拉格朗日乘子λ;
[0018]步驟四，根據(jù)改進(jìn)的Armijo準(zhǔn)則進(jìn)行一維搜索，即建立關(guān)于Θ的目標(biāo)函數(shù)如下所 示：
[0019]
[0020] 其中ρθ保證使目標(biāo)函數(shù)F充分減小，II為收縮因子(0<η<1);
[0021] 步驟五，若F(9i+5i)<F(9)，則有θ?+1 =θ?+δ?，增加步長5i+1=γδ?，轉(zhuǎn)步驟六;若F (θ?-δ?)<F( Θ)，貝IJ有0i+1=θ?-δ?，縮小步長5i+1=ηδ?，轉(zhuǎn)步驟六;否則，0i+1=0i;
[0022] 步驟六，若δ1+!<ε或者循環(huán)計(jì)數(shù)i>imax，則轉(zhuǎn)步驟七;否則i=i+l，轉(zhuǎn)步驟五；
[0023]步驟七，根據(jù)μ=θ1+1確定最大功率點(diǎn)處電壓的補(bǔ)償因子，由此計(jì)算出新的 迭代點(diǎn) ％+:1 = ? + 44 ;
[0024] 步驟八，若滿足收斂終止條件|Uk+1-Uk| <ε，或者達(dá)到最大迭代次數(shù)k>Imax，則Uk+1 即為光伏陣列最大功率點(diǎn)處的最優(yōu)電壓解，跟蹤優(yōu)化過程結(jié)束;否則進(jìn)行步驟九；
[0025]步驟九，更新Hessian矩陣，其更新方法如下所示：
[0026]
[0027] 其中
.符號(hào) ▽表示梯度;然后令k=k+l，轉(zhuǎn)步驟三。
[0028]與經(jīng)典控制方法相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：
[0029]1、本發(fā)明結(jié)合拉格朗日函數(shù)子問題求解和非精確一維搜索方法，能快速找到最大 功率點(diǎn)位置，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。
[0030] 2、本發(fā)明采用改進(jìn)的Armijo準(zhǔn)則進(jìn)行搜索，使得一維搜索的速度更快，所以在求 解光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率動(dòng)態(tài)模型時(shí)具有良好的收斂性。
[0031] 3、將本發(fā)明與經(jīng)典恒壓法相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，不僅簡單易行，且能避 免陷入局部最優(yōu)，達(dá)到穩(wěn)定地、精確地跟蹤最大功率點(diǎn)的目的。
[0032] 4、本發(fā)明可彌補(bǔ)經(jīng)典最大功率點(diǎn)跟蹤方法忽略外部條件變化、在最大功率點(diǎn)處易 振蕩、且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜等問題。本發(fā)明可減小外部環(huán)境變化引起的功率損耗，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)處 電壓的快速、穩(wěn)定地精確跟蹤。
[0033]為了更清楚的理解本發(fā)明，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明方法的步驟流程圖；
[0035]圖2為本發(fā)明方法實(shí)施例的總體框圖；
[0036]圖3為本發(fā)明方法實(shí)施例中光伏電池輸出特性曲線圖；
[0037]圖4為本發(fā)明方法實(shí)施例的MATLAB/Simulink仿真控制模型圖；
[0038]圖5為本發(fā)明方法實(shí)施例的最大功率點(diǎn)智能跟蹤效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]如圖1所示(其中圖1中大寫的Y是YES的縮寫，代表滿足所屬條件的情況;大寫的N是N0的縮寫，代表不滿足所屬條件的情況），一種光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤優(yōu)化方法，包括 下述步驟：
[0040]步驟一，在考慮外界環(huán)境變化條件下，根據(jù)光伏電池的等效電路，構(gòu)建光伏陣列模 型，其電流模型如下所示：
[0041] ILV
〇cJ
[0042]其中，I、U分別為一定環(huán)境條件下光伏陣列的電流和電壓，Is。為短路電流，U。。為開 路電壓，^為光伏組件并聯(lián)數(shù)目，Ns為光伏組件串聯(lián)數(shù)目，AU、△I分別為輻射照度和溫度變 化下的電壓、電流的變化
ζ中 1^仏分別為光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)處的電流值和電壓值；
[0043]步驟二，將光伏陣列的輸出功率表達(dá)式作為目標(biāo)函數(shù)，即：
[00