基于最優(yōu)梯度變步長的最大功率點跟蹤控制與預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于最優(yōu)梯度變步長的最大功率點跟蹤控制與預(yù)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于太陽能具有清潔無污染、可持續(xù)利用等優(yōu)點，近年來光伏發(fā)電受到廣泛關(guān)注， 光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。但是，光伏 陣列的輸出特性易受外界環(huán)境（如光照、溫度等）變化的影響，呈現(xiàn)強烈的非線性，為了使 光伏陣列工作在最大功率點處，提尚光伏電池利用效率，進行最大功率點跟蹤是光伏發(fā)電 必不可少的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003] 擾動觀測法是最常用的最大功率點跟蹤方法之一，擾動觀測法由于簡單易行而被 廣泛應(yīng)用于最大功率點跟蹤控制中，但該方法也存在不足，即存在誤判和震蕩的問題。擾動 觀測法的擾動步長同時影響跟蹤速度和精度，步長越小，跟蹤精度越高，但達到最大功率點 處的時間越久，因此，在實際的最大功率點跟蹤控制中需要在速度和精度之間加以權(quán)衡。此 外，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時，會出現(xiàn)一段時間內(nèi)工作點序列位于不同的P-U特性曲線上，但 擾動觀測法仍使用固定的特性曲線進行判斷，導(dǎo)致發(fā)生誤判。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服上述【背景技術(shù)】的不足，提供一種同時兼顧跟 蹤速度和跟蹤進度，避免發(fā)生誤判斷的基于最優(yōu)梯度變步長的最大功率點跟蹤控制與預(yù)測 方法。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，一種基于最優(yōu)梯度變步長的最大功率 點跟蹤控制與預(yù)測方法，包括以下步驟：
[0006] (1)在仿真平臺中搭建光伏電池仿真模型；
[0007] (2)測量光伏電池仿真模型的輸出電壓和輸出電流，根據(jù)最優(yōu)梯度法確定跟蹤步 長，即電壓擾動步長；
[0008] (3)利用功率預(yù)測算法確定跟蹤步長的方向，即電壓擾動步長的正負；
[0009] (4)根據(jù)電壓擾動步長的正負，跟蹤光伏電池的最大功率點。
[0010] 進一步，所述步驟（1)中，在仿真平臺中搭建光伏電池仿真模型的具體方法如下：
[0011] (1-1)利用在標(biāo)準(zhǔn)溫度Iref、標(biāo)準(zhǔn)光照強度Sraf下的短路電流I s。、開路電壓U。。、最 大工作電流Ini以及最大工作電壓U "，得到光伏電池標(biāo)準(zhǔn)工況下輸出特性的工程計算模型：
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[0017] 其中，込表示的光伏電池的輸出電流，I s。表示在標(biāo)準(zhǔn)溫度、標(biāo)準(zhǔn)光照強度Sraf下的短路電流，CdP C2是設(shè)定的中間參數(shù)，Uni表示在標(biāo)準(zhǔn)溫度Traf、標(biāo)準(zhǔn)光照強度S raf下的 最大工作電壓，Uck表示在標(biāo)準(zhǔn)溫度、標(biāo)準(zhǔn)光照強度Sraf下的開路電壓，I "表示在標(biāo)準(zhǔn)溫 度Iref、標(biāo)準(zhǔn)光照強度Sraf下的最大工作電流，T表示環(huán)境溫度，了^表示標(biāo)準(zhǔn)溫度，了^取 25°C，Λ T表示環(huán)境溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度的差值，S表示實際光照強度，Sraf表示標(biāo)準(zhǔn)光照強度， Sre^ lOOOw/m2, Λ S表示實際光照強度與標(biāo)準(zhǔn)光照強度的差值；
[0018] (1-2)按公式（6)-(9)計算一般工況下的短路電流I's。、開路電壓U'。。、最大工作 電流1'"以及最大工作電壓U'
[0023] 其中，Γ s。表示一般工況下的短路電流，I s。表示在標(biāo)準(zhǔn)溫度Traf、標(biāo)準(zhǔn)光照強度Sraf下的短路電流，S表示實際光照強度，Sraf表示標(biāo)準(zhǔn)光照強度，Λ T表示環(huán)境溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度 的差值，α是常數(shù)，取α = 0.0025, U'。。表示一般工況下的開路電壓，U。。表示在標(biāo)準(zhǔn)溫度 Iref、標(biāo)準(zhǔn)光照強度Sraf下的開路電壓，Λ S表示實際光照強度與標(biāo)準(zhǔn)光照強度的差值，β和 γ是常數(shù)，取β = 〇. 5, γ = 0. 0028, Γ m表示一般工況下的最大工作電流，I m表示在標(biāo)準(zhǔn) 溫度Traf、標(biāo)準(zhǔn)光照強度Sraf下的最大工作電流，U' !^表不一般工況下的最大工作電壓，U !^表 示在標(biāo)準(zhǔn)溫度Iref、標(biāo)準(zhǔn)光照強度Sraf下的最大工作電壓；
[0024] (1-3)根據(jù)公式（1)-(9)建立光伏陣列模型；
[0025] (1-4)根據(jù)光伏陣列模型，在Matlab/Simulink仿真平臺中搭建光伏電池仿真模 型。
[0026] 進一步，所述步驟（2)中，測量光伏電池仿真模型的輸出電壓和輸出電流，根據(jù)最 優(yōu)梯度法確定跟蹤步長的具體方法如下：
[0027] (2-1)在kT時刻，測量光伏電池仿真模型的輸出電流Ik和輸出電壓U k，計算相應(yīng) 的輸出功率Pk;
[0028] (2-2)利用步驟（2-1)中的UdPPk，結(jié)合最優(yōu)梯度法的定義，確定跟蹤步長 &，即 電壓擾動步長，，
；其中，ak為電壓擾動系數(shù)，a k= 0. 01，P表不輸出功 率，U表示輸出電壓，Uk表示kT時刻的輸出電壓。
[0029] 進一步，所述步驟（3)中，利用功率預(yù)測算法確定電壓擾動步長的正負的具體方 法如下：
[0030] (3-1)在kT時刻，光照強度為S、未加擾動下，檢測光伏電池的輸出電壓U (k)和輸 出功率p(k);
[0031] (3-2)在（k+l/2)T時刻，繼續(xù)采樣，采樣得到的輸出功率記為P(k+l/2);
[0032] (3-3)求基于一個采樣周期，（k+l)T時刻的預(yù)測功率P'（k) :P'（k)= 2P(k+l/2)-P(k)；
[0033] (3-4)在（k+1/2) T時刻，對光伏電池輸出電壓施加正的常值擾動Δ U，并且在 (k+1) T時刻采樣，將采樣得到的電壓和輸出功率分別記為U (k+1)、P (k+1);
[0034] (3-5)如果P'（k)-P (k+1)彡ε，= 〇· 06,則電壓擾動步長為負；如果 P(k+l)_P'（k)彡ε，ε = 〇. 06,則電壓擾動步長為正。
[0035] 進一步，所述步驟（4)中，根據(jù)電壓擾動步長的正負，跟蹤光伏電池的最大功率點 的具體方法如下：
[0036] 若電壓擾動步長為負，減小光伏電池的輸出電壓，直到|P'（k)_P(k+l) |〈 ε，ε =0.06,若電壓擾動步長為正，增加光伏電池的輸出電壓，直到IP'（k)-P (k+1) |〈 ε，ε = 0.06,此時光伏電池工作在最大功率點處，此時的P'（k)和P(k+1)近似為光伏電池的最大 輸出功率。
[0037] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點如下：
[0038] (1)將最優(yōu)梯度法、功率預(yù)測和電壓擾動觀測法結(jié)合應(yīng)用，能夠提高光伏電池最大 功率點跟蹤控制方法的跟蹤精度和跟蹤速度；
[0039] (2)在光伏電池接受的光照強度逐漸變化時，仍然能夠準(zhǔn)確跟蹤到光伏電池的最 大功率點，避免發(fā)生誤判斷。
【附圖說明】
[0040] 圖1是本發(fā)明實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0041] 下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0042] 本實施例包括以下步驟：
[0043] (1)在Matlab/Simulink仿真平臺中搭建光伏電池仿真模型；
[0044] (2)測量光伏電池仿真模型的輸出電壓和輸出電流，根據(jù)最優(yōu)梯度法確定跟蹤步 長，即電壓擾動步長；
[0045] (3)利用功率預(yù)測算法確定跟蹤步長的方向，即電壓擾動步長的正負；
[0046] (4)根據(jù)電壓擾動步長的正負，跟蹤光伏電池的最大功率點。
[0047] 步驟（1)中，在Matlab/Simulink仿真平臺中搭建光伏電池仿真模型的具體方法 如下：
[0048] (1-1)利用光伏電池生產(chǎn)廠家提供的在標(biāo)準(zhǔn)溫度Iref ( -般取25°C )、標(biāo)準(zhǔn)光照強 度Sraf (常取lOOOw/m2)下的短路電流Is。、開路電壓U。。、最大工作電流Ini以及最大工作電壓 Uni，得到光伏電池標(biāo)準(zhǔn)工況下輸出特性的工程計算模型：
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[0054] 其中，込表示的光伏電池的輸出電流，I s。表示在標(biāo)準(zhǔn)溫度、標(biāo)準(zhǔn)光照強度Sraf下的短路電流，CdP C2是為了簡便運算設(shè)定的中間參數(shù)，Uni表示在標(biāo)準(zhǔn)溫度、標(biāo)準(zhǔn)光照 強度Sraf下的最大工作電壓，U ^。表示在標(biāo)準(zhǔn)溫度T 、標(biāo)準(zhǔn)光照強度U的開路電壓，I " 表示在標(biāo)準(zhǔn)溫度Iref、標(biāo)準(zhǔn)光照強度Sraf下的最大工作電流，T表示環(huán)境溫度，T 表示標(biāo)準(zhǔn) 溫度（一般取25°C )，Λ T表示環(huán)境溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度的差值，S表示實際光照強度，Sraf表示 標(biāo)準(zhǔn)光照強度（常取l〇〇〇W/m2)，Λ S表示實際光照強度與標(biāo)準(zhǔn)光照強度的差值；
[0055] (1-2)按公式（6)-(9)計算一般工況下的短路電流I's。、開路電壓U'。。、最大工作 電流1'"以及最大工作電壓U'
[0060] 其中，Γ s。表示一般工況下的短路電流，I s。表示在標(biāo)準(zhǔn)溫度Traf、標(biāo)準(zhǔn)光照強度Sraf下的短路電流，S表示實際光照強度，Sraf表示標(biāo)準(zhǔn)光照強度（常取lOOOw/m2)，Λ T表示環(huán) 境溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度的差值，α是常數(shù)，常取α =〇.〇〇25，1]'￡1。表示一般工況下的開路電壓， 表示在標(biāo)準(zhǔn)溫度T "f、標(biāo)準(zhǔn)光照強度Sraf下的開路電壓，Λ S表示實際光照強度與標(biāo)準(zhǔn)光 照強度的差值，β和γ是常數(shù)，常取β =0.5, γ = 0.0028, 1'"表示一般工況下的最大 工作電流，1"表示在標(biāo)準(zhǔn)溫度Traf、標(biāo)準(zhǔn)光照強度Sraf下的最大工作電流，U' "表示一般工況 下的最大工作電壓，1表不在標(biāo)準(zhǔn)溫度T 、標(biāo)準(zhǔn)光照強度Sraf下的最大工作電壓；
[0061] (1-3)根據(jù)公式（1)-(9)建立光伏陣列模型；
[0062] (1-4)根據(jù)光伏陣列模型，在Matlab/Simulink仿真平臺中搭建光伏電池仿真模 型。
[0063] 步驟（2)中，測量光伏電池仿真模型的輸出電壓和輸出電流，根據(jù)最優(yōu)梯度法確 定跟蹤步長的具體方法如下：
[0064] (2-1)在kT時刻，測量光伏電池仿真模型的輸出電流Ik和輸出電壓U k，計算相應(yīng) 的輸出功率Pk;
[0065] (2-2)利用步驟（2-1)中的UdPPk，結(jié)合最優(yōu)梯度法的定義，確定跟蹤步長 &，即 {fp 電壓擾動步長，A = ) = qJ其中，如為電壓擾動系數(shù)，取a k= 0.0 l，P表示輸 ?υ ''人 出功率，U表示輸出電壓，Uk表示kT時刻的輸出電壓。
[0066] 步驟（3)中，利用功率預(yù)測算法確定電壓擾動步長的正負的具體方法如下：
[0067] (3-1)在kT時刻，光照強度為S、未加擾動下，檢測光伏電池的輸出電壓U (k)和輸 出功率P(k);
[0068] (3-2)在kT時刻后半個周期即（k+1/2)T時刻，繼續(xù)采樣，采樣得到的輸出功率記 為 P(k+l/2);
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