CN110275564B - 光伏最大功率跟踪优化控制方法、系统、介质及设备 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种光伏最大功率跟踪优化控制方法、系统、介质及设备，利用离散形式的最速跟踪微分器，对最速跟踪微分器的相位延迟性能进行预报补偿，采用改进后的跟踪微分器，基于电导增量法进行最大功率点追踪控制。本公开提高跟踪效率，在保证滤除扰动的同时，也可跟踪上最大功率点，使得功率损失和误差减小。

Description

光伏最大功率跟踪优化控制方法、系统、介质及设备

技术领域

本公开属于自动化控制领域，具体涉及一种光伏最大功率跟踪优化控制方法、系统、介质及设备。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

光伏电池作为以太阳能为主要能源的产品，拥有了传统电池所不具备的清洁、持久的优点。在光伏发电系统中一直存在的问题是：首先，光伏电池输出特性受外部环境影响较大，如环境温度和外部光照强度：其次，光伏电池的光电转换效率很低、本身成本昂贵，初期需要较大的投入。具有非线性输出特性的光伏电池，在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池工作时的输出电压不是固定的。只有在某一特定输出电压下，光伏电池的输出功率才能够达到最大值，这时光伏电池的工作点就是最大功率点。提高光伏发电系统效率的有效途径就是对光伏电池的工作点进行实时跟踪，使其一直在最大功率点附近工作，这个调节过程就被称为最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，简称 MPPT)。最大功率跟踪作为光伏系统发电的一个重要控制策略，通过优化控制算法，让其能既兼顾跟踪速度和精度，又要减少MPPT误判几率，提高系统抗干扰能力，是光伏系统亟待解决的一个重要问题。

据发明人了解，目前比较主流的MPPT(maximumpowerpoint tracking)算法主要包括恒电压追踪法、扰动观察法、传统定步长电导增量法以及变步长电导增量法。传统电导增量法相对于扰动法的稳态精度更高而且具有一定的动态响应能力，但仍然存在追踪速度与稳态精度难以兼顾的问题。变步长电导增量算法一定程度上弥补了传统电导增量法的缺陷，能够在保证追踪速度的前提下减小最大功率点邻域内的稳态波动，但在外界条件发生改变的情况下容易造成误判，导致功率逐渐偏离最大点甚至引发功率崩溃。

针对电导增量法，有很多文献进行了相应的研究，提出的方案都是在理想工作环境下能够达到跟踪较好的效果。但是，光伏系统实际工作环境存在温度、光照强度变化带来的内部扰动和叠加在电气量上的外部扰动，这些方法都存在抗干扰性能不足的缺点，跟踪精度较低，会发生误判甚至错判的现象，容易造成功率损失。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种光伏最大功率跟踪优化控制方法、系统、介质及设备，本公开鉴于传统电导增量法抗干扰性能较弱，将会造成光伏发电系统没有办法工作在最大功率点处，直接影响光电转换效率，根据光伏系统的工作特性，重点对电导增量法MPPT的抗干扰性差，数据处理能力有限等问题，提出了基于微分跟踪器的优化控制策略，能够提高系统的抗干扰性能及MPPT的跟踪精度，使得系统可以克服在扰动量的作用下，传统电导增量法跟踪的最大功率出现局部震荡以及没有准确跟踪到最大功率点出现功率损失，误差较大的问题。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种光伏最大功率跟踪优化控制方法，包括以下步骤：

利用离散形式的最速跟踪微分器，对最速跟踪微分器的相位延迟性能进行预报补偿，采用改进后的跟踪微分器，基于电导增量法进行最大功率点追踪控制。

一种光伏最大功率跟踪优化控制方法，包括以下步骤：

根据光电转换的原理，考虑温度与光照强度对于光伏系统的影响建立光伏电池的数学模型；

对受噪声信号干扰的输入信号输入微分跟踪器，对微分跟踪器使用二阶微分方法求取微分值，将基于预报补偿的跟踪微分器输出的信号利用电导增量法实现最大功率点追踪。

作为进一步的限定，将滤波后得到的信号加上微分信号与预报步长的乘积作为原始信号的参考值。

一种光伏最大功率跟踪优化控制系统，包括乘法器、改进的最速跟踪微分器和最大功率点跟踪器，其中：

所述乘法器接收受噪声信号干扰的光伏系统输入信号和最大功率点跟踪器的输出值，所述改进的最速跟踪微分器被配置为是离散形式的最速跟踪微分器，使用二阶微分方法求取微分值，并对相位延迟性能进行预报补偿；所述最大功率点跟踪器被配置为利用电导增量法实现最大功率点追踪。

作为进一步的限定，所述微分跟踪器为离散形式的最速跟踪微分器。

作为进一步的限定，通过比较光伏阵列的电导增量和瞬时电导来改变控制信号。

作为进一步的限定，含有噪声干扰的电流信号与参考电压的乘积得到一个功率信号，将其传送到改进的最速跟踪微分器中，传送出功率信号的微分信号，同时将参考电压信号输入到改进的跟踪微分器中，经过跟踪微分器不仅将进行了滤波同时输出电压信号的微分信号，将得到的两个微分信号利用电导增量法进行最大功率点追踪。

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种光伏最大功率跟踪优化控制方法。

一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种光伏最大功率跟踪优化控制方法。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

在扰动量的作用下，传统的电导增量法跟踪的最大功率出现局部振荡，与不加扰动的电导增量法相比较是不能准确的跟踪最大功率点的，这就造成了功率损失，跟踪误差较大的问题。而在加入了最速跟踪微分器之后，虽然也存在跟踪误差，但相对于传统的电导增量法，可滤除扰动的干扰，基本可以跟踪最大功率点，而加入基于预报补偿的最速跟踪微分器之后，可以将跟踪微分器的相位延迟和滤波效果进行综合，进而可以进一步的提高跟踪效率，在保证滤除扰动的同时，也可跟踪上最大功率点，使得功率损失和误差减小。

含有干扰的信号经由跟踪微分器，有随机噪声或不连续的量经微分信号以及连续信号的提取，可以提高系统的精度。

经过预报补偿后的最速跟踪微分器能够大幅减小相位延迟，对输入信号具有良好的滤波效果，同时能够抑制噪声放大，从复杂干扰中提取理想的信号。

传统电导增量法在实现MPPT判断时，是有限差分法，该方法存在很大的局限性，如果信号数据中包含扰动量，信号的读取间隔时间不能太小，信号读取间隔过小导致过度的读取信号值反而增大误差范围，这正好同采样定律背道而驰，即多的数据采集量反而得不到准确的结果。而微分跟踪器在实现滤波同时计算出了输入信号P和U的微分值dP和dU，所以改进后的电导增量法只需判断dP和dU的符号，仅用逻辑判断语句就可实现MPPT，极大提高了系统的响应速度。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是基于预报补偿的最速跟踪微分器的MPPT的系统框图；

图2是光伏系统的P-U曲线；

图3是TD示意图；

图4是离散型的最速跟踪微分器跟踪效果图；

图5是基于预报补偿的最速跟踪微分器的跟踪效果图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术中所述的鉴于传统电导增量法抗干扰性能较弱，将会造成光伏发电系统没有办法工作在最大功率点处，直接影响光电转换效率，根据光伏系统的工作特性，重点对电导增量法MPPT的抗干扰性差，数据处理能力有限等问题，提出了基于微分跟踪器的优化控制策略。采用这种方法对电导增量法进行优化改进，以提高系统的抗干扰性能及MPPT的跟踪精度，使得系统可以克服在扰动量的作用下，传统电导增量法跟踪的最大功率出现局部震荡以及没有准确跟踪到最大功率点出现功率损失，误差较大的问题。微分跟踪器优化后的电导增量法仍然存在跟踪误差，相对传统电导增量法误差减少，最终基本能够跟踪上最大功率值，并且功率损失少，所以需要一种方法，在保证抗干扰的作用下，仍然可以提高跟踪精度，能够完全跟踪上最大功率点。

一种基于预报补偿的最速跟踪微分器最大功率点跟踪的优化控制策略，这种优化控制策略，不仅可以提高系统的抗干扰性能，还能提高最大功率点跟踪的跟踪精度，为了达成上述目的，我们的技术方案如下：

采用跟踪微分器对电导增量法进行最大功率点追踪时，由于跟踪微分器的跟踪性能受响应速度的影响，提出了一种改进措施，将跟踪微分器换成离散形式的最速跟踪微分器以提高响应速度并避免高频震颤现象。由于跟踪微分器的滤波效果和相位延时效应的矛盾性，在离散形式的最速跟踪微分器的基础上提出了预报补偿的方法，对最速跟踪微分器的相位延迟性能进行优化处理，以保证在好的滤波效果下仍可避免相位延迟，达到跟踪精度。

基于预报补偿的最速跟踪微分器的MPPT的系统框图如图1所示：

基于预报补偿的最速跟踪微分器的最大功率点跟踪，所涉及的模块包括：

光伏阵列：将若干个光伏电池板根据负载容量要求，在进行串联或者并联组成较大功率的供电装置，但是光伏阵列受光照、温度以及电压等的影响，因此需要进行最大功率点跟踪控制，以实时的检测光伏阵列的输出功率，采用一定的控制算法预测当前工作状态下光伏阵列的最大功率输出，通过改变当前的阻抗来满足最大功率的输出要求，使得光伏系统可以运行于最佳工作状态。

电导增量法：通过比较光伏阵列的电导增量和瞬时电导来改变控制信号，此方法需要对光伏阵列的电压和电流进行采样，其表达式为：

整理得：

根据光伏系统的PV曲线图2可以看出，当dP/dU＞0时，光伏阵列工作在最大功率点的左侧，此时将向右调整工作点；当dP/dU＝0时，光伏阵列工作在最大功率点处，追踪上了最大功率点；当dP/dU＜0时，光伏阵列工作在最大功率点右侧。因此，只要知道了dP/dU与0的关系，就可以确定如何调整光伏阵列的工作点。

最速跟踪微分器：是在传统线性跟踪微分器的基础上的提出的，而线性跟踪微分器利用两个惯性环节替代经典微分器中的一个惯性环节，降低了误差(即扰动)放大效应，为了避免响应速度的影响，利用提出非线性跟踪微分器的概念，而非线性跟踪微分器在使用符号函数的时候会出现高频震颤的现象，因此提出了利用饱和函数的非线性跟踪微分器，这就是我们常说的最速跟踪微分器，对它进行离散化，如式(3)所示：

从非零初值出发，按这个差分方程递推，就能以有限步到达原点并保持停止不动。其中，参数r称为速度因子，决定了系统的跟踪速度，r越大，跟踪得越快；参数h₀称做跟踪微分器的滤波因子，它的增大起着很好的滤波作用，虽然积分补偿的缩小也对抑制噪声放大起很大作用，但当积分步长确定时，增大滤波因子就是增强滤波效果的有效手段。同时，滤波因子h₀越大，就会使x₁跟踪信号v的相位延迟也越大。

基于预报算法的最速跟踪微分器：最速跟踪微分器存在明显的相位延迟问题，并且其相位延迟与滤波因子大小有关，受物理学中的位移公式的启发，采用预报的方法来克服延迟。考虑采用预报的方法来克服相位延迟，思路是将滤波后得到的信号加上微分信号与预报步长的乘积作为原始信号的逼近，具体做法是令式(3)中fhan函数中的h₀＝r₁*h，其中r₁为待调参数，r₂为预报步数，并且满足下式：

y＝x₁+r₂*h*x₂ (4)

为了确定r₂的值，也就是补偿的步数，可以寻找滤波因子和延迟步数的关系。改变滤波因子h₀，即r₁的值，通过研究发现跟踪延迟步数大致是滤波因子系数r₁的2倍，取r₂＝2r₁。

基于预报补偿最速跟踪微分器光伏最大功率跟踪优化控制具体实施步骤如下：

1)根据光电转换的原理，考虑温度与光照强度对于光伏系统的影响建立光伏电池的数学模型；

2)对受噪声信号干扰的输入信号进行微分跟踪，微分跟踪器可以对输入量功率进行滤波控制，能够有效的滤除由电流I和电压U所携带的噪声干扰，基于预报补偿的跟踪微分器可以消减相位延迟，进而提高MPPT判断的准确度。对微分跟踪器使用二阶微分表达式y＝[v(t-τ₁)-v(t-τ₂)]/(τ₂-τ₁)代替传统的差分方法 y＝[v(t)-v(t-τ)]/τ求取微分值，能够减少超调量，提高了系统的动态性能

3)将基于预报补偿的跟踪微分器输出的信号输入到光伏系统电导增量法之中，利用电导增量法实现最大功率点追踪。

所述跟踪微分器对有随机噪声或不连续的量进行，微分信号以及连续信号的提取。过去一直采取的是线性微分器或滤波器进行相应的处理，但是这种方式无法取得满意的结果，跟踪微分器采取的是通过非线性函数对输入信号实行光滑的逼近，跟踪微分器的示意图如图3所示。

基于预报补偿的跟踪微分器的r₁范围大致在3-10之间，如果r₁过小则滤波效果得不到很好的体现，若r₁过大那么相位延迟就会加大，这就是上文所描述的跟踪微分器的相位延迟与滤波效果的矛盾性。经预报补偿后，最终得到的快速跟踪微分器的离散形式为式(5)所示：

其中，x₂为输入信号的微分信号，y为预报补偿后的跟踪信号。在图4中可以看到不加入预报补偿的系统的跟踪效果，图5可以看出预报补偿后得到的信号与原始信号基本吻合。

首先根据光电转换的原理可知，光伏电池当与一个电流为I_ph的恒流源和一个二极管并联，在考虑温度和光照强度两个主要因素时，其数学模型为

式中：I是负载电流；U是负载电压；s是光照强度；T是电池温度；T_ref环境温度；I_O二极管反向电流；R_s是串联电阻；R_sh是分流电阻；CT是温度补偿系数；K是波尔兹曼常数(1.38×10-23J/K)；q是电子量(1.6×10-19C)；A是光伏电池中半导体器件的P-N结系数；I_sc是光伏电池短路电流。

然后在研究过程中根据光伏阵列受温度以及光照强度的影响，使得温度保持一个变化的过程，光照也保证在一个变换的过程中，然后将光伏阵列的输出电流I上施加一个噪声干扰，将这个含有噪声干扰的电流信号与参考电压的乘积得到一个功率信号，将其传送到改进的最速跟踪微分器(即基于预报补偿的最速跟踪微分跟踪器)中，经过跟踪微分器进行了滤波同时传送出P的微分信号

同时将参考电压信号输入到改进的跟踪微分器中，经过跟踪微分器不仅将进行了滤波同时输出U的微分信号

将得到的

以及

利用电导增量法进行最大功率点追踪，当dP/dU>0dP/dU＞0时，光伏阵列工作在最大功率点的左侧；当dP/dU＝0时，光伏阵列工作在最大功率点处；当dP/dU＜0时，光伏阵列工作在最大功率点右侧。

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、 CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/ 或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种光伏最大功率跟踪优化控制方法，其特征是：包括以下步骤：

利用离散形式的最速跟踪微分器，对最速跟踪微分器的相位延迟性能进行预报补偿，利用电导增量法进行最大功率点追踪控制；

根据光电转换的原理，考虑温度与光照强度对于光伏系统的影响建立光伏电池的数学模型；

将受噪声信号干扰的输入信号输入微分跟踪器，对微分跟踪器使用二阶微分方法求取微分值，将基于预报补偿的跟踪微分器输出的信号利用电导增量法实现最大功率点追踪；

对最速跟踪微分器的相位延迟性能进行优化处理，保证在好的滤波效果下仍可避免相位延迟，达到跟踪精度，基于预报补偿的最速跟踪微分器，将最速跟踪微分器的相位延迟和滤波效果进行综合，含有干扰的信号经由最速跟踪微分器，使有随机噪声或不连续的量经微分信号以及连续信号的提取，经过预报补偿后的最速跟踪微分器大幅减小相位延迟，对输入信号进行滤波同时抑制噪声放大，从复杂干扰中提取理想的信号；

微分跟踪器在实现滤波同时计算出输入信号P和U的微分值dP和dU，改进后的电导增量法只需判断dP和dU的符号，仅用逻辑判断语句就可实现MPPT，提高系统的响应速度；

所述方法将滤波后得到的信号加上微分信号与预报步长的乘积作为原始信号的参考值。

2.如权利要求1所述的一种光伏最大功率跟踪优化控制方法，其特征是：电导增量法通过比较光伏阵列的电导增量和瞬时电导来改变控制信号。

3.一种光伏最大功率跟踪优化控制系统，其特征是：包括乘法器、改进的最速跟踪微分器和最大功率点跟踪器，其中：

所述乘法器接收受噪声信号干扰的光伏系统输入信号和最大功率点跟踪器的输出值，所述改进的最速跟踪微分器被配置为是离散形式的最速跟踪微分器，使用二阶微分方法求取微分值，并对相位延迟性能进行预报补偿；所述最大功率点跟踪器被配置为利用电导增量法实现最大功率点追踪。

4.如权利要求3所述的一种光伏最大功率跟踪优化控制系统，其特征是：含有噪声干扰的电流信号与参考电压的乘积得到一个功率信号，将其传送到改进的最速跟踪微分器中，传送出功率信号的微分信号，同时将参考电压信号输入到改进的跟踪微分器中，经过跟踪微分器不仅将进行了滤波同时输出电压信号的微分信号,将得到的两个微分信号利用电导增量法进行最大功率点追踪。

5.如权利要求3所述的一种光伏最大功率跟踪优化控制系统，其特征是：对光伏阵列的最大功率点跟踪控制，以实时的检测光伏阵列的输出功率，以预测当前工作状态下光伏阵列的最大功率输出，通过改变当前的阻抗来满足最大功率的输出要求，使得光伏系统可以运行于最佳工作状态。

6.一种计算机可读存储介质，其特征是：其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-2中任一项所述的一种光伏最大功率跟踪优化控制方法。

7.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-2中任一项所述的一种光伏最大功率跟踪优化控制方法。

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