一種基于函數(shù)模型的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于函數(shù)模型的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法，該方法主要解決在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的最大功率點(diǎn)跟蹤問(wèn)題。本發(fā)明以Boost電路為光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路，首先檢測(cè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓和電流，然后根據(jù)誤差和誤差變化率來(lái)確定占空比擾動(dòng)步長(zhǎng)函數(shù)，進(jìn)而確定下一時(shí)刻的擾動(dòng)步長(zhǎng)值，擾動(dòng)步長(zhǎng)函數(shù)由二維高斯函數(shù)和反正切函數(shù)構(gòu)成。算法每運(yùn)行一次后延時(shí)T ms，直到確定最大功率點(diǎn)處的占空比值。該方法引入了二維高斯函數(shù)和反正切函數(shù)，確定了一種較為通用的占空比擾動(dòng)方法，能夠更加精確地進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，也為其他基于擾動(dòng)模型的最大功率點(diǎn)跟蹤方法提供了一種計(jì)算參考方法。
【專利說(shuō)明】
一種基于函數(shù)模型的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明是將數(shù)學(xué)領(lǐng)域中常見的反正切函數(shù)和二維高斯函數(shù)運(yùn)用到光伏發(fā)電系統(tǒng) 最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)中，解決光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤的問(wèn)題，屬于光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源問(wèn)題成為制約經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要因素之 一。太陽(yáng)能作為一種新的綠色能源受到廣泛的關(guān)注，為了最大限度的利用太陽(yáng)能，太陽(yáng)能光 伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其中最重要的一種技術(shù)就是最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)。根據(jù)算法類型的 不同，主流的技術(shù)分為傳統(tǒng)算法和生物智能算法。
[0003] 其中，傳統(tǒng)算法主要有擾動(dòng)觀察法和爬山法等，其本質(zhì)是利用擾動(dòng)不斷搜索當(dāng)前 時(shí)刻最大功率點(diǎn)，但是傳統(tǒng)算法存在擾動(dòng)方向誤判從而導(dǎo)致跟蹤效率低的問(wèn)題。生物智能 算法包括粒子群算法、狼群算法等，該類算法模擬自然界生物的生活習(xí)性進(jìn)行光伏發(fā)電系 統(tǒng)最大功率點(diǎn)全局尋優(yōu)，找到當(dāng)前時(shí)刻的最大功率。生物智能算法往往計(jì)算量復(fù)雜，需要比 較快速的處理器對(duì)算法進(jìn)行處理，不利于工業(yè)應(yīng)用推廣。雖然智能算法是目前較為新興的 算法，但是工業(yè)應(yīng)用上還是主要應(yīng)用傳統(tǒng)算法進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。
[0004] 因此，現(xiàn)有技術(shù)中亟需一種高速有效，且對(duì)其他傳統(tǒng)算法有參考意義的最大功率 點(diǎn)跟蹤方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是:為了解決傳統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤算法中在外界環(huán)境變化時(shí)導(dǎo)致誤 判的問(wèn)題，而提出一種基于函數(shù)模型的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法，并確定了一種 較為通用的擾動(dòng)方法。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種基于函數(shù)模型的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤 方法，其特征在于:光伏發(fā)電系統(tǒng)以Boost電路為主電路，根據(jù)光伏發(fā)電功率與占空比以及 功率與電壓的關(guān)系，g卩P-D、P_U關(guān)系曲線，在曲線斜率為0,即dP/dD = 0、dP/dU = 0時(shí)，此時(shí)達(dá) 到最大功率點(diǎn)處;所述跟蹤方法首先檢測(cè)光伏陣列的輸出電壓和電流，然后根據(jù)誤差和誤 差變化率來(lái)確定占空比擾動(dòng)步長(zhǎng)函數(shù)，進(jìn)而確定下一時(shí)刻的占空比擾動(dòng)步長(zhǎng)值，占空比擾 動(dòng)步長(zhǎng)函數(shù)由二維高斯函數(shù)和反正切函數(shù)構(gòu)成;方法每運(yùn)行一次后延時(shí)Tms，直到確定最大 功率點(diǎn)處的占空比值;所述的基于函數(shù)模型的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法包含如下 步驟： 步驟1:檢測(cè)k時(shí)刻的電壓U(k)、電流I (k)，根據(jù)P(k)=U(k)I (k)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻功率值； 步驟2:定義占空比擾動(dòng)步長(zhǎng)函數(shù)是關(guān)于誤差E(k)和誤差變化率△ E(k)的函數(shù)，即：

分別是k-l時(shí)刻的功率和電壓值，誤差 變化率ΔE(k)=E(k)-E(k-l)，E(k-1)為k-l時(shí)刻的誤差，ΔDmax是占空比最大擾動(dòng)步長(zhǎng)，α、β、 γ是常數(shù)，a、b、c可由以下式子確定：
式中〇E、、k、Θ均為常數(shù)，根據(jù)試錯(cuò)法確定具體值； 根據(jù)k時(shí)刻的電壓和電流值以及計(jì)算出的功率值可以得出此時(shí)的誤差和誤差變化率； 步驟3:由公式（1)確定k時(shí)刻占空比擾動(dòng)步長(zhǎng)Δ D之后，可得出k+Ι時(shí)刻的占空比D(k+1)， 即： D(k+i) = D(k)土 A D (2) 其中D(k)是第k時(shí)刻的占空比值； 步驟4:根據(jù)公式(1)確定的占空比擾動(dòng)步長(zhǎng)，計(jì)算擾動(dòng)周期T，設(shè)定擾動(dòng)周期T是關(guān)于占 空比擾動(dòng)步長(zhǎng)絕對(duì)值I AD|的線性函數(shù)，T = f( | AD| )=mX | AD|+n，其中m和η都是常數(shù)，由 線性擬合的方法確定具體值； 步驟5:根據(jù)功率和占空比以及功率和電壓的關(guān)系確定最大功率點(diǎn)處的占空比，從而跟 蹤到最大功率。
[0007] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的基于函數(shù)模型的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方 法，引入常見的二維高斯函數(shù)和反正切函數(shù)來(lái)確定占空比擾動(dòng)步長(zhǎng)，以一種較為簡(jiǎn)單的參 數(shù)可調(diào)的普通數(shù)學(xué)公式解決了傳統(tǒng)算法在擾動(dòng)步長(zhǎng)固定時(shí)跟蹤速度慢的問(wèn)題，并且經(jīng)過(guò)多 次仿真實(shí)驗(yàn)證明了本發(fā)明的可用性和有效性，能夠更加快速有效地進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。
【附圖說(shuō)明】
[0008] 圖1是占空比擾動(dòng)步長(zhǎng)函數(shù)圖像。
[0009] 圖2是本發(fā)明的基于函數(shù)模型的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法框架流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的 內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些 等價(jià)形式同樣在本申請(qǐng)所列權(quán)利要求書限定范圍之內(nèi)。
[0011] 本發(fā)明提出了一種基于函數(shù)模型的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法，方法主要 引入了數(shù)學(xué)中常見的二維高斯函數(shù)和反正切函數(shù)來(lái)確定占空比擾動(dòng)步長(zhǎng)函數(shù)。擾動(dòng)步長(zhǎng)函 數(shù)圖形如圖1所示，在該函數(shù)中，選擇高斯函數(shù)是因?yàn)楦咚购瘮?shù)可以影響擾動(dòng)步長(zhǎng)的幅值， 當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生劇烈變化時(shí)，Ε和ΔΕ的值都變大，此時(shí)高斯函數(shù)可以用來(lái)避免占空比的過(guò) 度變化;選擇反正切函數(shù)是因?yàn)榉凑泻瘮?shù)可以增加或者減小擾動(dòng)步長(zhǎng)的變化，因此可以 提高M(jìn)PPT的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，另外也能夠限制在MPP附近的振蕩從而來(lái)改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。 基于函數(shù)模型的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法框架如圖2所示。
[0012] 本發(fā)明主要是利用二維高斯函數(shù)以及反正切函數(shù)來(lái)確定占空比擾動(dòng)步長(zhǎng)函數(shù)，利 用兩個(gè)函數(shù)的性質(zhì)以提高最大功率點(diǎn)跟蹤的速度和精度，具體實(shí)現(xiàn)步驟細(xì)化如下： 步驟1:檢測(cè)光伏陣列輸出 光伏發(fā)電系統(tǒng)采用Boost電路作為系統(tǒng)主電路，檢測(cè)光伏陣列k時(shí)刻的電壓U(k)、電流 I (k)，根據(jù)P(k) =U(k) I (k)計(jì)算k時(shí)刻功率值。
[0013] 步驟2:確定擾動(dòng)方向 比較k時(shí)刻功率值P〇〇和k-Ι時(shí)刻功率值Ρα-υ以及k時(shí)刻電壓值U(k)和k-Ι時(shí)刻電壓值 U(k-i)，在實(shí)際應(yīng)用中，
，因此根據(jù)功 率與電壓的關(guān)系，
時(shí)即此時(shí)誤差E(k) = 0達(dá)到最大功率點(diǎn)，具體判斷方式如下： (1) E(k) = 0,達(dá)到最大功率點(diǎn)； (2) E(k)>0，D(k+i) = D(k)_ A D; (3) E(k)〈0，D(k+i) = D(k)+A D。
[0014] 步驟3:確定占空比擾動(dòng)步長(zhǎng)函數(shù) 占空比擾動(dòng)步長(zhǎng)函數(shù)主要由兩個(gè)常見的數(shù)學(xué)函數(shù)組成，一個(gè)是二維高斯函數(shù)，另外一 個(gè)是反正切函數(shù)，占空比擾動(dòng)步長(zhǎng)函數(shù)設(shè)定如下： 占空比擾動(dòng)步長(zhǎng)函數(shù)是關(guān)于誤差E(k)和誤差變化率ΔΕ(1〇的函數(shù)，其中：誤差
，Ρ〇〇和U〇〇是k時(shí)刻的功率和電壓值，誤差變化率AE(k)=E(k)-E(k- lhEH)是k-1時(shí)刻的誤差，因此占空比擾動(dòng)步長(zhǎng)函數(shù)確定為：
式中么〇^\是占空比最大擾動(dòng)步長(zhǎng)，取么〇^\ = 〇.〇5，€1、0、丫是常數(shù)，分別為〇、〇和5，&、 b、c可由以下式子確定：
式中σΕ、、k、Θ根據(jù)試錯(cuò)法確定具體值，其中σΕ = 40，
[0015 ]步驟4:確定延時(shí)時(shí)間Τ (擾動(dòng)周期） 當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)得到一個(gè)擾動(dòng)之后，需要一定的時(shí)間才能達(dá)到下一個(gè)運(yùn)行狀態(tài)，因此 需要設(shè)置一個(gè)延時(shí)，設(shè)定延時(shí)函數(shù)是關(guān)于關(guān)于占空比擾動(dòng)步長(zhǎng)絕對(duì)值I AD|的線性函數(shù)， 即： T = f (| A D | ) =mX I Δ D I +n 其中111和11都是常數(shù)，由線性擬合的方法確定m=l .364，n = 4.975。
[0016]步驟5:輸出最大功率點(diǎn)處的占空比
，即此時(shí)誤差E(k) = 0時(shí)，此時(shí)即達(dá)到最大功率點(diǎn)。
[0017]最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，以上內(nèi)容僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)本發(fā)明保護(hù) 范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行的簡(jiǎn)單修改或者等同替換， 均不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)和范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于函數(shù)模型的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法，其特征在于:光伏發(fā)電系 統(tǒng)WBoost電路為主電路，根據(jù)光伏發(fā)電功率與占空比W及功率與電壓的關(guān)系，即P-D、p-U 關(guān)系曲線，在曲線斜率為0，即dP/郵=0、dP/dU = 0時(shí)，此時(shí)達(dá)到最大功率點(diǎn)處;所述跟蹤方 法首先檢測(cè)光伏陣列的輸出電壓和電流，然后根據(jù)誤差和誤差變化率來(lái)確定占空比擾動(dòng)步 長(zhǎng)函數(shù)，進(jìn)而確定下一時(shí)刻的占空比擾動(dòng)步長(zhǎng)值，占空比擾動(dòng)步長(zhǎng)函數(shù)由二維高斯函數(shù)和 反正切函數(shù)構(gòu)成;方法每運(yùn)行一次后延時(shí)Tms，直到確定最大功率點(diǎn)處的占空比值;所述的 基于函數(shù)模型的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法包含如下步驟： 步驟1:檢巧化時(shí)刻的電壓U(k)、電流I (k)，根據(jù)P(k) = U(k)I (k)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻功率值； 步驟2:定義占空比擾動(dòng)步長(zhǎng)函數(shù)是關(guān)于誤差E(k)和誤差變化率AE(k)的函數(shù)，即：良和電壓值，誤差 變化率ΔΕ化）=E化)-E化-l)，E(w)為k-1時(shí)刻的誤差，ADmax是占空比最大擾動(dòng)步長(zhǎng)，α、β、 丫是常數(shù)，a、b、c可由W下式子確定：式中0E、心^、k、Θ均為常數(shù)，根據(jù)試錯(cuò)法確定具體值； 根據(jù)k時(shí)刻的電壓和電流值W及計(jì)算出的功率值可W得出此時(shí)的誤差和誤差變化率； 步驟3:由公式（1)確定k時(shí)刻占空比擾動(dòng)步長(zhǎng)Δ0之后，可得出k+1時(shí)刻的占空比D(k+i)， 即： D(k+i) = D(k)±AD (2) 其中D (k)是第k時(shí)刻的占空比值； 步驟4:根據(jù)公式（1)確定的占空比擾動(dòng)步長(zhǎng)，計(jì)算擾動(dòng)周期T，設(shè)定擾動(dòng)周期T是關(guān)于占 空比擾動(dòng)步長(zhǎng)絕對(duì)值|ΔD|的線性函數(shù)，T = f(|ΛD|)=mX|ΛD|+n，其中m和n都是常數(shù)，由 線性擬合的方法確定具體值； 步驟5:根據(jù)功率和占空比W及功率和電壓的關(guān)系確定最大功率點(diǎn)處的占空比，從而跟 蹤到最大功率。
【文檔編號(hào)】G05F1/67GK106094972SQ201610768407
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年8月30日
【發(fā)明人】張正文, 譚文龍, 包澤勝, 黃翔, 宋芳
【申請(qǐng)人】湖北工業(yè)大學(xué)