CN110231850B - 基于鲁棒控制的光伏最大功率点的跟踪装置和方法 - Google Patents

基于鲁棒控制的光伏最大功率点的跟踪装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于鲁棒控制的光伏最大功率点的跟踪装置，包括：BOOST电路、光伏电池阵列、电压检测器、温度检测器、光照强度检测器、嵌入式ARM微控制器；本发明还公开了一种基于鲁棒控制的光伏最大功率点的跟踪方法，包括：建立单输入单输出的二维状态空间模型；建立含变化因子的二维状态空间模型；设计系统全维状态观测器；实时计算控制信号；通过共享通信网络把控制信号传递给BOOST电路；调节光伏电池阵列的输出电阻控制最大功率点的跟踪；本发明考虑了温度、光照强度对光伏发电系统的影响，建立了含变化因子的二维状态空间模型，通过网络化集中控制设计使得系统无须放在现场，提高了系统控制精度，优化了对最大功率点的跟踪控制。

Description

基于鲁棒控制的光伏最大功率点的跟踪装置和方法
技术领域
本发明涉及一种基于鲁棒控制的光伏最大功率点的跟踪装置和方法。
背景技术
全世界的能源需求量每年都在稳步增加，而石油、煤炭等不可再生化石燃料正在日益枯竭且它们的使用会对地球环境造成很大的污染，这就使得可再生清洁能源的应用在世界范围内受到了越来越广泛的重视。太阳能是一种非常可靠的可再生清洁能源，光伏发电系统就是利用太阳能来进行发电，因此在新能源领域的应用中受到了极为广泛的重视并得到了快速发展。然而在光伏发电系统中，光伏电池阵列对太阳能的转换效率并不是很高，这成为制约其应用推广的主要问题，为提高光伏发电系统的转换效率，就必须设计控制装置对光伏电池阵列的最大功率点进行跟踪控制。
目前最大功率点跟踪控制装置的设计方法主要包括:电导增量法、扰动观察法和恒定电压法等。电导增量法可以根据光照强度的变化而快速调节光伏发电机的输出功率，但调节时间比较长，容易陷入局部最大功率点处。扰动观察法的结构较为简单、被测参数较少，是目前比较广泛应用的方法，但其问题是容易造成系统在最大功率点附近震荡，控制的精度不够高。恒定电压法的控制设计最为简单，数字化的实现也十分的方便，但是该方法没有考虑环境温度对光伏发电机的影响，因此其控制精度也不高。同时以上光伏最大功率点跟踪装置设计的各类方法普遍都是把控制装置和光伏电池阵列配置在一起，由于目前光伏发电机应用系统规模越来越庞大，往往一个大规模的光伏发电机系统要在现场配备多台控制装置，各个控制系统各自控制系统中的某一块光伏电池阵列，控制系统之间没有实现互联，使得系统整体性能难以优化。
随着物联网技术的飞速发展，对于大规模的光伏发电机系统，为最大化的提高系统的输出功率，对其进行网络化的集中控制设计就显得十分有必要。本发明就是针对大规模的光伏发电机系统，结合物联网技术和最大功率点跟踪技术，并加以改进，设计了一个光伏最大功率点的跟踪装置，装置设计时既会考虑环境温度、光照强度的影响，同时也会考虑到网络的引入给系统带来信号传输的延迟，通过建立一个系统的含有变化因子的二维状态空间模型，并以此为基础设计一个鲁棒控制器，达到整体光伏最大功率点跟踪的网络化控制，整体系统只需要配备一个控制器，控制装置可以不需要放在被控对象光伏电池阵列的现场，而是可以通过联网放置在合适位置。
发明内容
本发明主要是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于鲁棒控制的光伏最大功率点的跟踪装置和方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
基于鲁棒控制的光伏发电系统最大功率点的跟踪装置，可实现基于鲁棒控制的光伏最大功率点的跟踪方法，该装置包括：执行电路、光伏电池阵列、电压检测器、温度检测器、光照强度检测器、嵌入式ARM微控制器、共享通信网络；所述的BOOST电路与光伏电池阵列相连，所述的光伏电池阵列信号输出端与电压检测器的输入端相连，所述的电压检测器、光照强度检测器和温度检测器输出端分别与嵌入式ARM微控制器信号输入端相连，所述的嵌入式ARM微控制器信号输出端与所述的执行电路输入信号端相连。
所述的执行电路为配有网络接口功能Boost电路。
所述的嵌入式ARM微控制器配有网络通信接口，可进行网络通信。
所述的BOOST电路输出端与光伏电池阵列相连，用于改变光伏电池阵列输出电阻来实现对最大功率点的跟踪控制；
所述的光伏电池阵列上还安装有电压检测器、光照强度检测器、温度检测器，用于对光伏电池阵列输出电压、光照强度和温度进行采样；
所述的电压检测器、光照强度检测器、温度检测器的输出端分别通过网络与嵌入式ARM微控制器的输入端相连，将采样到的光伏电池阵列输出电压、光照强度和温度信号通过共享通信网络传递到嵌入式ARM微控制器；
所述的嵌入式ARM微控制器输出端与BOOST电路的输入端通过共享通信网络相连，用于生成控制信号u(k)，并将控制信号通过共享通信网络传递给BOOST电路；
所述的电压检测器、光照强度检测器、温度检测器与嵌入式AMR微控制器之间，BOOST电路与嵌入式AMR微控制器之间均通过共享通信网络相连。
基于鲁棒控制的光伏最大功率点的跟踪方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：将环境温度和光照强度所对应的光伏最大功率点的参考输出电压r制成离线表格存入到嵌入式ARM微控制器中，在线情况下，嵌入式ARM微控制器根据实时接收到的温度和光照强度的信号，匹配表格对应区间范围找到对应的光伏最大功率点的参考输出电压r(k)。
步骤2：建立执行电路和光伏电池阵列的单输入单输出二维状态空间模型；二维状态空间模型表达式为：
Figure BDA0002048554020000021
其中，x(t)∈R2为系统的状态向量，
Figure BDA0002048554020000035
为系统状态向量的导数，u(t)∈R为执行电路接收到的控制信号，y(t)∈R为光伏电池阵列的输出电压，A、B、C分别为系统的模型参数矩阵，都是2*2维的实参数矩阵；
步骤3：以环境温度、光照强度的变化因素以及信号在网络传递中的延迟效应为基础，以单输入单输出二维状态空间模型为基础建立含有变化因子的二维状态空间模型；含有变化因子的二维状态空间模型表达式为：
xs(k+1)＝(A1+ΔA1)xs(k)+(B1+ΔB1)u(k)+(B2+ΔB2)u(k-1)，y(k)＝(C+ΔC)xS(k)，
其中A1＝exp(Ah)，
Figure BDA0002048554020000031
t为时间，dBt即为Bdt，为时间的增量，k表示检测器的第k个采样时刻，xs(k)＝x(k-0.5h)∈R2为系统离散模型的状态向量，h为系统的采样周期，具体取值根据实际光伏电池阵列的参数和环境来确定，h的值不大于1s，信号在网络中的总延迟不超过采样周期h，ΔA1，ΔB1，ΔB2，ΔC为含有变化因子的二维状态空间模型的变化因子；
步骤4：根据鲁棒稳定理论和李雅普诺夫稳定原理，设计出在最坏情况下也能保证系统稳定的状态反馈控制规则u(k)＝Pxs(k)。
P为状态反馈控制器的实际参数，也是一个2*2维的实参数矩阵。
步骤5：嵌入式ARM微控制器将根据选定的参考输出电压信号r(k)，利用已建立的含有变化因子的二维状态空间模型，设计系统全维状态观测器：
Figure BDA0002048554020000032
式中
Figure BDA0002048554020000033
为观测器的状态向量，电压检测器发送过来的实际电压测量值为y(k)，u(k)为控制器的输出信号，r(k)为参考输出电压，L是一个2*2维的实参数矩阵，属于观测器设计中的一个设计矩阵参数；
步骤6：嵌入式ARM微控制器依据
Figure BDA0002048554020000034
实时计算出控制信号u(k)；
步骤7：共享通信网络把控制装置产生的控制信号u(k)传递给BOOST电路；
步骤8：BOOST电路通过调节光伏电池阵列的输出电阻完成对最大功率点跟踪的控制。
所述的的环境温度和光照强度所对应的范围分别为-40℃-50℃和0-105Lux，温度以1℃为区间进行分类，光照强度以1000Lux为区间进行分类。
与现有发明相比，本发明的有益成果为：
一、本发明装置将控制器网络集中化设计，无须与被控对象光伏电池阵列放在一起，通过共享网络实现互联，来交换传递数据，减少了现场环境对控制装置的干扰，使光伏发电系统整体性能得到优化。
二、本发明方法在对控制部分进行设计时，充分考虑环境温度、光照的影响，以及网络信号传输的延迟，通过建立含有变化因子的二维状态空间模型，设计出一个鲁棒控制算法，来实现对光伏最大功率点的跟踪控制，提高了最大功率点控制的精度。
附图说明
图1为基于鲁棒控制的光伏最大功率点的跟踪装置结构图；
其中，1-BOOST电路；2-光伏电池阵列；3-电压检测器；4-温度检测器；5-光照强度检测器；6-共享通信网络；7-嵌入式ARM微控制器。
图2为基于鲁棒控制的光伏最大功率点的跟踪方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
实施例如下：
如图1所示，基于鲁棒控制的光伏最大功率点的跟踪装置，可实现基于鲁棒控制的光伏最大功率点的跟踪方法，该装置由执行电路、光伏电池阵列、电压检测器、温度检测器、光照强度检测器、共享通信网络、嵌入式ARM微控制器组成；所述的BOOST电路与光伏电池阵列相连，所述的光伏电池阵列信号输出端与电压检测器的输入端相连，所述的电压检测器、光照强度检测器和温度检测器输出端分别与嵌入式ARM微控制器信号输入端相连，所述的嵌入式ARM微控制器信号输出端与所述的执行电路输入信号端相连。
执行电路为配有网络接口功能Boost电路。
所述的嵌入式ARM微控制器配有网络通信接口，可进行网络通信。
BOOST电路输出端与光伏电池阵列相连，用于改变光伏电池阵列输出电阻来实现最大功率点的跟踪。
光伏电池阵列上还安装有电压检测器、光照强度检测器、温度检测器，用于对光伏电池阵列输出电压、光照强度和温度进行采样。
电压检测器、光照强度检测器、温度检测器的输出端分别与嵌入式ARM微控制器的输入端相连，将采样到的光伏电池阵列输出电压信号、光照强度和温度信号通过共享通信网络传递给嵌入式ARM微控制器，通过鲁棒控制算法生成控制信号u(k)。
嵌入式ARM微控制器输出端与BOOST电路的输入端相连，用于生成控制信号u(k)，并通过共享通信网络传递到BOOST电路。
电压检测器、光照强度检测器、温度检测器与嵌入式ARM微控制器之间，BOOST电路与嵌入式ARM微控制器之间均通过共享通信网络相连。
如图2所示，基于鲁棒控制的光伏最大功率点的跟踪方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：将环境温度和光照强度所对应的光伏最大功率点的参考输出电压r制成离线表格存入到嵌入式ARM微控制器中，在线情况下，嵌入式ARM微控制器根据实时接收到的温度和光照强度的信号，匹配表格对应区间范围找到对应的光伏最大功率点的参考输出电压r(k)，环境温度和光照强度所对应的范围分别为-40℃-50℃和0-105Lux，温度以1℃为区间进行分类，光照强度以1000Lux为区间进行分类。
步骤2：建立执行电路和光伏电池阵列的单输入单输出二维状态空间模型；单输入单输出二维状态空间模型表达式为：
Figure BDA0002048554020000051
其中，x(t)∈R2为系统的状态向量，
Figure BDA0002048554020000052
为系统状态向量的导数，u(t)∈R为执行电路接收到的控制信号，y(t)∈R为光伏电池阵列的输出电压，A、B、C分别为系统的模型参数矩阵，都是2*2维的实参数矩阵；
步骤3：由于嵌入式ARM微控制器和执行电路采用事件驱动的方式工作，而所有检测器都是时间驱动方式工作，检测器的检测信号和控制器的输出信号在网络中的传输具有延迟，引入参数A1、B1、B2。由于环境温度、光照强度的变化，引入参数ΔA1，ΔB1，ΔB2，ΔC；以单输入单输出二维状态空间模型为基础建立含有变化因子的二维状态空间模型；含有变化因子的二维状态空间模型表达式为：
xs(k+1)＝(A1+ΔA1)xs(k)+(B1+ΔB1)u(k)+(B2+ΔB2)u(k-1)，y(k)＝(C+ΔC)xs(k)，
其中A1＝exp(Ah)，
Figure BDA0002048554020000053
t为时间，dBt即为Bdt，是时间的增量，k表示检测器的第k个采样时刻，xs(k)＝x(k-0.5h)∈R2为系统离散模型的状态向量，h为系统的采样周期，具体取值根据实际光伏电池阵列的参数和环境来确定，h的值不大于1s，信号在网络中的总延迟不超过采样周期h，ΔA1，ΔB1，ΔB2，ΔC为含有变化因子的二维状态空间模型的变化因子；
步骤4：根据鲁棒稳定理论和李雅普诺夫稳定原理，设计出在最坏情况下也能保证系统稳定的状态反馈控制规则u(k)＝Pxs(k)。
P为状态反馈控制器的实际参数，也是一个2*2维的实参数矩阵。
步骤5：嵌入式ARM微控制器将根据选定的参考输出电压信号r(k)，利用已建立的含有变化因子的二维状态空间模型，设计系统全维状态观测器：
Figure BDA0002048554020000054
式中
Figure BDA0002048554020000061
为观测器的状态向量，电压检测器发送过来的实际电压测量值为y(k)，u(k)为控制器的输出信号，r(k)为参考输出电压，L是一个2*2维的实参数矩阵，属于观测器设计中的一个设计矩阵参数。
步骤6：嵌入式ARM微控制器依据
Figure BDA0002048554020000062
实时计算出控制信号u(k)；
步骤7：共享通信网络把控制装置产生的控制信号u(k)传递给BOOST电路；
步骤8：BOOST电路通过调节光伏电池阵列的输出电阻完成对最大功率点跟踪的控制。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应当以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于鲁棒控制的光伏最大功率点的跟踪方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤S1:将环境温度和光照强度所对应的光伏最大功率点的参考输出电压r制成离线表格存入到嵌入式ARM微控制器(7)中，在线情况下，嵌入式ARM微控制器(7)根据实时接收到的温度和光照强度的信号，匹配表格对应区间范围找到对应的光伏最大功率点的参考输出电压r(k)；
步骤S2:建立执行电路和光伏电池阵列(2)的单输入单输出二维状态空间模型；
步骤S3:以环境温度、光照强度的变化因素以及信号在网络传递中的延迟效应为基础，同时所有检测器采用时间驱动的工作方式、控制器和执行器采用事件驱动的工作方式，以单输入单输出二维状态空间模型为基础建立含有变化因子的二维状态空间模型；其中，所述含有变化因子的二维状态空间模型的表达式为Xs(k+1)＝(A1+ΔA1)xs(k)+(B1+ΔB1)u(k)+(B2+ΔB2)u(k-1),y(k)＝(C+ΔC)xs(k),
其中，A1＝exp(Ah)，
Figure FDA0002629100350000011
t为时间，dBt即为Bdt，为时间的增量，k表示检测器的第k个采样时刻，xs(k)＝x(k-0.5h)∈R2为系统离散模型的状态向量，B为一个2*2维的常系数矩阵,ΔA1,ΔB1,ΔB2,ΔC表示为含有变化因子的二维状态空间模型的变化因子,h为系统的采样周期，具体取值根据实际光伏电池阵列的参数和环境来确定；系统的采样周期h不大于1s，信号在网络中的总延迟不超过采样周期h；
步骤S4:根据鲁棒稳定理论和李雅普诺夫稳定原理，设计出在最坏情况下也能保证系统稳定的状态反馈控制规则u(k)＝Pxs(k)，P为状态反馈控制器的实际参数，为一个2*2维的实参数矩阵；
步骤S5：嵌入式ARM微控制器(7)将根据选定的参考输出电压r(k)，利用已建立的含有变化因子的二维状态空间模型，设计系统全维状态观测器：
Figure FDA0002629100350000012
式中
Figure FDA0002629100350000013
为观测器的状态向量，电压检测器(3)发送过来的实际电压测量值为y(k)，控制器的输出信号为u(k)，参考输出电压为r(k)，L是一个2*2维的实参数矩阵，属于观测器设计中的一个设计矩阵参数；
步骤S6:嵌入式ARM微控制器(7)依据
Figure FDA0002629100350000014
实时计算出控制信号u(k)；
步骤S7:共享通信网络(6)把控制装置产生的控制信号u(k)传递给BOOST电路(1)；
步骤S8:BOOST电路(1)通过调节光伏电池阵列(2)的输出电阻完成对最大功率点跟踪的控制。
2.如权利要求1所述的基于鲁棒控制的光伏最大功率点的跟踪方法，其特征在于，所述步骤S1中，环境温度和光照强度所对应的范围分别为-40℃-50℃和0-105Lux，温度以1℃为区间进行分类，光照强度以1000Lux为区间进行分类。
3.如权利要求1所述的基于鲁棒控制的光伏最大功率点的跟踪方法，其特征在于，所述步骤S2中，单输入单输出二维状态空间模型表达式为
Figure FDA0002629100350000021
其中，x(t)∈R2为系统的状态向量，
Figure FDA0002629100350000022
为系统状态向量的导数，u(t)∈R为执行电路接收到的控制信号,y(t)∈R代表光伏电池阵列(2)的输出电压，A、B、C分别为系统的模型参数矩阵，为2*2维的实参数矩阵。
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