一種基于粒子群全局優(yōu)化和電導增量法的mppt控制方法
【專利摘要】一種基于粒子群全局優(yōu)化和電導增量法的MPPT控制方法，它包括以下步驟：(1)利用粒子群全局優(yōu)化方法對光伏陣列的輸出功率進行全局跟蹤，搜索得到近似的全局最大功率點，采樣該時刻下光伏陣列的輸出電壓和電流；(2)根據(jù)上述采樣得到的光伏陣列的電壓和電流，采用電導增量法調(diào)節(jié)跟蹤速度并最終跟蹤到最大功率點。本發(fā)明利用粒子群算法進行全局跟蹤；采用電導增量法進行后期的優(yōu)化，克服了它在光伏陣列局部遮陰情況下跟蹤最大功率點過程中的缺陷。
【專利說明】
一種基于粒子群全局優(yōu)化和電導増量法的MPPT控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。，尤其是一種基于粒子群全局優(yōu)化和電導增量法 的MPPT控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，最大功率點跟蹤(MPPT)控制方法是提高光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的關(guān)鍵技術(shù)之 一。然而，由于光伏電池的輸出具有非線性特點，光伏系統(tǒng)輸出的最大功率點在不同外界環(huán) 境條件下總會不斷發(fā)生變化，有一些MPPT算法并不能實時的跟蹤到最大功率點，這必然會 造成系統(tǒng)功率的損失和工作效率的下降。為此必須實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤控 制，以便在任何環(huán)境條件下都能夠獲得最大功率輸出。
[0003] 然而，在實際情況下，當光伏陣列遇到局部陰影時其陣列的P-V特性曲線就會呈現(xiàn) 出多峰值。此時，如果采用傳統(tǒng)的MPPT算法如擾動觀測法、電導增量法等就很容易跟蹤到局 部最大值點而非全局最大值點，從而造成功率的損失。鑒于此，近些年來關(guān)于局部陰影下的 光伏陣列特性和處理多峰值問題的MPPT算法已經(jīng)有了相關(guān)的理論研究。有將電流控制和擾 動觀測法結(jié)合的MPPT算法和一種優(yōu)化最大功率點跟蹤算法，雖然兩方法可以實現(xiàn)較為精確 的跟蹤，但實現(xiàn)起來比較麻煩。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為解決在多峰值情況下跟蹤全局最大功率點不準確的問題，提出 一種基于粒子群全局優(yōu)化的電導增量法MPPT算法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0006] 一種基于粒子群全局優(yōu)化和電導增量法的MPPT控制方法，它包括以下步驟：
[0007] (1)利用粒子群全局優(yōu)化方法對光伏陣列的輸出功率進行全局跟蹤，搜索得到近 似的全局最大功率點，米樣該時刻下光伏陣列的輸出電壓和電流；
[0008] (2)根據(jù)上述采樣得到的光伏陣列的電壓和電流，采用電導增量法調(diào)節(jié)跟蹤速度 并最終跟蹤到最大功率點。
[0009] 本發(fā)明的步驟(1)具體為：
[0010] (1-1)對光伏陣列的輸出功率采用粒子群全局優(yōu)化方法進行搜索，采用下式進行 更新迭代，得到當前迭代時的粒子i的個體最優(yōu)速度和位置；
[0012]其中：i表示輸出功率點的序號即粒子的序號;k表示迭代的次數(shù);vf表示粒子i在 第k次迭代時的個體最優(yōu)速度;xf表示粒子i在第k次迭代時的個體最優(yōu)位置;w表示慣性權(quán) 重，非負數(shù)，用于調(diào)節(jié)搜索范圍表示加速度常數(shù)，rand()表示隨機函數(shù)，取值范圍[0， 1 ]; If表示某個粒子i到k次迭代為止時的個體最優(yōu)位置，表示所有粒子到第k次迭代為 止時的全局最優(yōu)位置；
[0013] (1-2)針對當
前次迭代結(jié)果，采用下述公式計算鑒定值# ;
[0015] 其中： /(P/ )代表粒子i的個體最優(yōu)位置所對應(yīng)的光伏陣列的輸出電壓，/(<)代 表全局最優(yōu)位置所對應(yīng)的光伏陣列的輸出電壓；Γ/'用來評判粒子的好壞，值越大，表明粒 子越好，越接近實際的全局最優(yōu)值，反之，距離越遠；
[0016] (1-3 )、將鑒定值if與評判值α比較，采用下述公式獲取粒子i在第k+Ι次迭代時的 個體最優(yōu)位置，該位置對應(yīng)的功率點在全局最大功率點的附近，將其作為近似的全局最大 功率點，米樣該時刻下光伏陣列的輸出電壓和電流；
[0018] 其中：i表示某個粒子的序號，k表示迭代次數(shù)，If表示某個粒子i到k次迭代為止時 的個體最優(yōu)位置，K表示所有粒子到第k次迭代為止時的全局最優(yōu)位置。
[0019] (1-4)當?shù)螖?shù)達到預設(shè)的最大迭代次數(shù)或者步驟（1-3)獲取的光伏陣列的輸 出電壓小于光伏陣列的開路電壓Uarray的5%時，終止迭代過程，搜索結(jié)束，得到最優(yōu)解，否 則返回重新更新粒子的速度和位置。
[0020] 本發(fā)明的步驟(1-1)中：慣性權(quán)重采用下述公式進行設(shè)置：
[0022 ] 其中Wmax的范圍是0.8-0.9，wmin的范圍是0.4-0.5; k為當前迭代次數(shù)，kmax為最大迭 代次數(shù)，kmax的范圍是80-200。
[0023] 本發(fā)明的Wmax是0.9，wmin的范圍是0.4; kmax的范圍是200。
[0024] 本發(fā)明的步驟（1-1)中：的范圍是0.5-0.7，優(yōu)選0.6;步驟(1-1)中，首先對粒 子搜索范圍進行設(shè)置，將近似的全局最大功率點的搜索范圍設(shè)置在峰值電壓處，所述的峰 值電壓范圍是:〇. 8um〇duie-0.8uarray，其中Umodule表不光伏模塊的開路電壓;Uarray表不光 伏陣列的開路電壓。
[0025] 本發(fā)明的步驟(1-3)中，α設(shè)定的范圍是〇. 5-0.7，優(yōu)選0.6。
[0026] 本發(fā)明中，當局部陰影情況發(fā)生改變時，光伏陣列的輸出特性也隨之發(fā)生變化，這 時就重新啟動粒子群全局優(yōu)化方法。
[0027] 本發(fā)明的步驟(2)具體為:對于步驟（1)獲取的近似的全局最大功率點，對該采樣 點的功率和電壓進行求導運算，當魯>0時，光伏陣列工作在實際全局最大功率點ΜΡΡ的左 偵I這時增加光伏陣列的參考電壓；同理，當普< 0時，光伏陣列工作在實際的全局最大功 率點ΜΡΡ的右側(cè)，這時減小光伏陣列的參考電壓，直到獲取實際的全局最大功率點。（在電導 增量法中擾動步長為定值，其大小的選取要兼顧光伏系統(tǒng)的跟蹤速度和控制精度。由于粒 子群所跟蹤到的全局最大功率點已基本確定，所以擾動步長應(yīng)適當選取一個較小的值，從 而提尚最大功率點的穩(wěn)定性。）
[0028]本發(fā)明的有益效果：
[0029]本發(fā)明是基于電導增量法優(yōu)化的粒子群全局ΜΡΡΤ算法，主要是為解決在光伏陣列 在局部遮陰情況下跟蹤出現(xiàn)誤判，不能跟蹤到全局最大功率點。本發(fā)明利用粒子群算法進 行全局跟蹤;采用電導增量法進行后期的優(yōu)化，克服了它在光伏陣列局部遮陰情況下跟蹤 最大功率點過程中的缺陷。首先采用粒子群算法進行全局跟蹤搜索到全局最大功率點的附 近，采樣此時光伏陣列的輸出電壓、電流和功率。然后利用電導增量法，將采樣得到的光伏 陣列的電壓和電流輸入電導增量法模塊，此時就相當于在單峰值情形下進行最大功率點跟 蹤。最終使系統(tǒng)穩(wěn)定在全局最大功率點處。其控制算法主要由兩部分組成，第一部分是采用 粒子群算法進行全局搜索，第二部分是利用電導增量法進行全局優(yōu)化，采用電導增量法能 夠進彳丁精確化，提尚跟蹤精度。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明中8*4光伏陣列的遮陰示意圖。
[0031]圖2為本發(fā)明中8*4光伏陣列在兩種遮陰情況下的P-U輸出曲線。
[0032]圖3為本發(fā)明算法流程圖。
[0033]圖4為本發(fā)明算法的仿真模型。
[0034]圖5為本發(fā)明算法與其他算法仿真輸出情況對比。
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0036] 如圖1所示，一種基于粒子群全局優(yōu)化和電導增量法的ΜΡΡΤ控制方法，它包括以下 步驟：
[0037] (1)利用粒子群全局優(yōu)化方法對光伏陣列的輸出功率進行全局跟蹤，搜索得到近 似的全局最大功率點，米樣該時刻下光伏陣列的輸出電壓和電流，具體為；
[0038] (1-1)對光伏陣列的輸出功率采用粒子群全局優(yōu)化方法進行搜索，采用下式進行 更新迭代，得到當前迭代時的粒子i的個體最優(yōu)速度和位置；
[0040]其中：i表示輸出功率點的序號即粒子的序號;k表示迭代的次數(shù);<表示粒子i在 第k次迭代時的個體最優(yōu)速度;xf表示粒子i在第k次迭代時的個體最優(yōu)位置;w表示慣性權(quán) 重，非負數(shù)，用于調(diào)節(jié)搜索范圍表示加速度常數(shù)，rand()表示隨機函數(shù)，取值范圍[0， 1 ]; If表示某個粒子i到k次迭代為止時的個體最優(yōu)位置，Pj表示所有粒子到第k次迭代為 止時的全局最優(yōu)位置；
[0041 ]慣性權(quán)重采用下述公式進行設(shè)置：
[0043] 其中Wmax的范圍是0.8-0.9，wmin的范圍是0.4-0.5; k為當前迭代次數(shù)，kmax為最大迭 代次數(shù)，kmax的范圍是80-200 ; Wmax是0.9，Wmin的范圍是0.4 ; kmax的范圍是200 ; Cl、C2的范圍是 0.5-0.7,優(yōu)選0.6。
[0044] 為優(yōu)化搜索范圍，在步驟（1-1)中，首先對粒子搜索范圍進行設(shè)置，將近似的全局 最大功率點的搜索范圍設(shè)置在峰值電壓處，所述的峰值電壓范圍是:〇. Sitaduie-0.8Uarray，其 中Umodu 1 e表示光伏模塊的開路電壓;Uarray表示光伏陣列的開路電壓。
[0045] (1-2)針對當前次迭代結(jié)果，采用下述公式計算鑒定值if ;
[0047] 其中：/(If )代表粒子i的個體最優(yōu)位置所對應(yīng)的光伏陣列的輸出電壓，/(? ) 代表全局最優(yōu)位置所對應(yīng)的光伏陣列的輸出電壓；/f用來評判粒子的好壞，值越大，表明 粒子越好，越接近實際的全局最優(yōu)值，反之，距離越遠；
[0048] (1-3)、將鑒定值與評判值α比較，采用下述公式獲取粒子i在第k+Ι次迭代時的 個體最優(yōu)位置，該位置對應(yīng)的功率點在全局最大功率點的附近，將其作為近似的全局最大 功率點，米樣該時刻下光伏陣列的輸出電壓和電流；
[0050] 其中：i表示某個粒子的序號，k表示迭代次數(shù)，Pf表示某個粒子i到k次迭代為止時 的個體最優(yōu)位置，K表示所有粒子到第k次迭代為止時的全局最優(yōu)位置;本發(fā)明的步驟（1-3)中，α設(shè)定的范圍是0.5-0.7,優(yōu)選0.6。
[0051] (1-4)當?shù)螖?shù)達到預設(shè)的最大迭代次數(shù)或者步驟（1-3)獲取的光伏陣列的輸 出電壓小于光伏陣列的開路電壓Uarray的5%時，終止迭代過程，搜索結(jié)束，得到最優(yōu)解，否 則返回重新更新粒子的速度和位置。
[0052] (2)對于步驟（1)獲取的近似的全局最大功率點，對該采樣點的功率和電壓進行求 導運算，當# >〇時，光伏陣列工作在實際全局最大功率點MPP的左側(cè)，這時增加光伏陣列 的參考電壓；同理，當#< 〇時，光伏陣列工作在實際的全局最大功率點MPP的右側(cè)，這時減 小光伏陣列的參考電壓，直到獲取實際的全局最大功率點。（在電導增量法中擾動步長為定 值，其大小的選取要兼顧光伏系統(tǒng)的跟蹤速度和控制精度。由于粒子群所跟蹤到的全局最 大功率點已基本確定，所以擾動步長應(yīng)適當選取一個較小的值，從而提高最大功率點的穩(wěn) 定性。）
[0053]本發(fā)明中，當局部陰影情況發(fā)生改變時，光伏陣列的輸出特性也隨之發(fā)生變化，這 時就重新啟動粒子群全局優(yōu)化方法。
[0054] 具體實施時：
[0055]如圖1所示，深色的為被嚴重遮陰的光伏模塊，其對應(yīng)的光照強度300W/m2;灰色的 次之，其對應(yīng)的光照強度500W/m2;白色的未被遮陰，其對應(yīng)的光照強度1000W/m2。
[0056]如圖2所示，由于串聯(lián)模塊的光照強度不同導致輸出電壓產(chǎn)生多峰，造成總的輸出 功率產(chǎn)生多個極值點。由圖可以看出該仿真圖有3個峰值點。但其中有一個才是全局最大值 點，其余兩個均為局部最大值點。
[0057]如圖3所示，為整個發(fā)明所用算法的流程圖。其控制算法主要由兩部分組成，第一 部分是采用粒子群算法進行全局搜索，第二部分是利用電導增量法進行全局優(yōu)化。
[0058]如圖4所示，對本發(fā)明所提的8*4光伏陣列在局部陰影情況下最大功率點跟蹤進行 建模。粒子群算法模塊采用matlab語言進行編寫，本文選取了 100個粒子的種群，迭代50次； 電導增量法模塊擾動電壓根據(jù)光伏陣列的輸出特性選取一個較小的值。主電路采用boost 拓撲，假設(shè)外部負載為純電阻，其大小為10 Ω并忽略電路本身的阻抗，通過改變IGBT的占空 比來實現(xiàn)全局最大功率點跟蹤。Boost電路的輸入和輸出電容為0.3mF，輸出濾波電感為 0.008H〇
[0059] 如圖5所示，為三種算法在兩種不同局部陰影情況下的仿真結(jié)果。分別將本發(fā)明所 述的三種算法在局部陰影情況下從〇.2s時由情況1突變到情況2進行仿真。結(jié)合圖2及如下 仿真圖形可以看出，單獨使用粒子群算法無法精確跟蹤到最大功率點，只是追蹤到了全局 最大功率點的附近，這就造成了光伏陣列輸出功率的損失;在與粒子群算法相比較后，可以 明顯的看出來本文所提的算法在〇.2s光照強度發(fā)生突變時，通過將粒子群算法和電導增量 法相結(jié)合，經(jīng)過兩算法前后相互的運算后，到0.25s附近達到穩(wěn)定，不僅可以精確跟蹤到全 局最大功率點，而且跟蹤效率也比較好，并且在局部陰影情況發(fā)生突變時，本文所提方法可 以追逐到全局最大功率點；電導增量法只是跟蹤到了局部最大功率點。由此可以看出，本文 所提的方法不但可以跟蹤到全局最大功率點，而且具有一定的精確性和有效性。
[0060] 本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于粒子群全局優(yōu)化和電導增量法的MPPT控制方法，其特征是它包括w下步 驟： (1) 利用粒子群全局優(yōu)化方法對光伏陣列的輸出功率進行全局跟蹤，捜索得到近似的 全局最大功率點，采樣該時刻下光伏陣列的輸出電壓和電流； (2) 根據(jù)上述采樣得到的光伏陣列的電壓和電流，采用電導增量法調(diào)節(jié)跟蹤速度并最 終跟蹤到最大功率點。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于粒子群全局優(yōu)化和電導增量法的MPPT控制方法，其特征 是所述的步驟(1)具體為： (1-1)對光伏陣列的輸出功率采用粒子群全局優(yōu)化方法進行捜索，采用下式進行更新 迭代，得到當前迭代時的粒子i的個體最優(yōu)速度和位置；其中：i表示輸出功率點的序號即粒子的序號;k表示迭代的次數(shù);vf表示粒子i在第k次 迭代時的個體最優(yōu)速度;:TfA表示粒子i在第k次迭代時的個體最優(yōu)位置;W表示慣性權(quán)重，非 負數(shù)，用于調(diào)節(jié)捜索范圍；Ci、C2表示加速度常數(shù)，randO表示隨機函數(shù)，取值范圍[0，1];巧 表示某個粒子i至化次迭代為止時的個體最優(yōu)位置，表示所有粒子到第k次迭代為止時的 全局最優(yōu)位置； (1-2)針對當前次迭代結(jié)果，采用下述公式計算鑒定值;其中：/(巧）代表粒子i的個體最優(yōu)位置所對應(yīng)的光伏陣列的輸出電壓，/巧;-)代表全 局最優(yōu)位置所對應(yīng)的光伏陣列的輸出電壓；r/用來評判粒子的好壞，值越大，表明粒子越 好，越接近實際的全局最優(yōu)值，反之，距離越遠； (1-3)、將鑒定值γ/與評判值α比較，采用下述公式獲取粒子i在第k+1次迭代時的個體 最優(yōu)位置，該位置對應(yīng)的功率點在全局最大功率點的附近，將其作為近似的全局最大功率 點，采樣該時刻下光伏陣列的輸出電壓和電流；其中：i表示某個粒子的序號，k表示迭代次數(shù)，P/表示某個粒子i至化次迭代為止時的個 體最優(yōu)位置，表示所有粒子到第k次迭代為止時的全局最優(yōu)位置。 (1-4)當?shù)螖?shù)達到預設(shè)的最大迭代次數(shù)或者步驟（1-3)獲取的光伏陣列的輸出電 壓小于光伏陣列的開路電壓化rray的5%時，終止迭代過程，捜索結(jié)束，得到最優(yōu)解，否則返 回重新更新粒子的速度和位置。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于粒子群全局優(yōu)化和電導增量法的MPPT控制方法，其特征 是所述的步驟(1-1)中：慣性權(quán)重采用下述公式進行設(shè)置：其中wmax的范圍是0.8-0.9，*。1。的范圍是0.4-0.5;4為當前迭代次數(shù)，1^為最大迭代次 數(shù)，kmax的范圍是80-200。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于粒子群全局優(yōu)化和電導增量法的MPPT控制方法，其特征 是Wmax是0.9，Wmin的范圍是0.4;kmax的范圍是200。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于粒子群全局優(yōu)化和電導增量法的MPPT控制方法，其特征 是所述的步驟(1-1)中：Cl、〔2的范圍是0.5-0.7,優(yōu)選0.6。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種粒子群與電導增量法結(jié)合的光伏發(fā)電MPPT，其特征是所 述的步驟(1-1)中，首先對粒子捜索范圍進行設(shè)置，將近似的全局最大功率點的捜索范圍設(shè) 置在峰值電壓處，所述的峰值電壓范圍是：0.8umodule-〇 . Suarray，其中Umodule表不光伏模塊 的開路電壓;化rray表示光伏陣列的開路電壓。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種粒子群與電導增量法結(jié)合的光伏發(fā)電MPPT，其特征是步 驟(1-3)中，α設(shè)定的范圍是0.5-0.7,優(yōu)選0.6。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種粒子群與電導增量法結(jié)合的光伏發(fā)電ΜΡΡΤ，其特征是當 局部陰影情況發(fā)生改變時，光伏陣列的輸出特性也隨之發(fā)生變化，運時就重新啟動粒子群 全局優(yōu)化方法。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種粒子群與電導增量法結(jié)合的光伏發(fā)電ΜΡΡΤ，其特征是所 述的步驟(2)具體為:對于步驟（1)獲取的近似的全局最大功率點，對該采樣點的功率和電 壓進行求導運算，當嚴>0時，光伏陣列工作在實際全局最大功率點ΜΡΡ的左側(cè)，運時增加 光伏陣列的參考電壓；同理，當集<0時，光伏陣列工作在實際的全局最大功率點ΜΡΡ的右 側(cè)，運時減小光伏陣列的參考電壓，直到獲取實際的全局最大功率點。
【文檔編號】G05F1/67GK106094970SQ201610458789
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月23日
【發(fā)明人】余運俊, 閔衛(wèi)東, 韓清, 王淳, 周輝林, 曾繁鵬, 方壯志
【申請人】江蘇林洋能源股份有限公司