CN110320958A - 基于泰勒公式的最大功率跟踪方法、系统及终端设备 - Google Patents

基于泰勒公式的最大功率跟踪方法、系统及终端设备 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种基于泰勒公式的最大功率跟踪方法、系统及终端设备，利用采用饱和函数构造的非线性跟踪微分器，并利用泰勒公式对所述非线性跟踪微分器的相位延迟性能进行优化处理，以解决滤波效果和相位延时效应的矛盾性，再利用电导增量法进行最大功率点追踪，在传统的电导增量法追踪最大功率点的基础上，增加了离散型的最速跟踪微分器，对扰动信号进行滤波处理，根据电导增量法加入了离散型的最速跟踪微分器的基础上采用了泰勒公式以提高跟踪最大功率点的效率与准确性。

Description

基于泰勒公式的最大功率跟踪方法、系统及终端设备
技术领域
本公开属于自动化控制领域，具体涉及一种基于泰勒公式的最大功率跟踪 方法、系统及终端设备。
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。
近来，随着新能源技术的广泛应用，太阳能作为新兴的可再生绿色能源， 与传统的能源相比，具有无污染、无噪音、储量巨大、可再生等优势，此得到 了越来越多的应用。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。
在一定的光照强度和环境温度下，具有非线性输出特性的光伏电池工作时 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)。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，使得现有的最大功率点跟踪方法都存 在精度较低，会发生误判甚至错判的现象。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种基于泰勒公式的最大功率跟踪方法、 系统及终端设备，本公开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。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种基于泰勒公式的最大功率跟踪方法，包括以下步骤：
利用采用饱和函数构造的非线性跟踪微分器，并利用泰勒公式对所述非线 性跟踪微分器的相位延迟性能进行优化处理，以解决滤波效果和相位延时效应 的矛盾性，再利用电导增量法进行最大功率点追踪。
一种基于泰勒公式的最大功率跟踪方法，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非线性跟踪微分器，利用泰勒公式的方 法，对非线性跟踪微分器的相位延迟性能进行优化处理，将非线性跟踪微分器 的输出信号利用电导增量法实现最大功率点追踪。
所述非线性跟踪微分器为采用饱和函数的非线性跟踪微分器。
基于泰勒公式的方法对离散型的非线性跟踪微分器进行补偿，建立最速跟 踪微分的级联，每个最速跟踪微分的参数一致，根据泰勒公式进行相位延迟。
使用二阶微分求取非线性跟踪微分器的微分值。
一种基于泰勒公式的最大功率跟踪系统，包括改进的最速跟踪微分器和最 大功率点跟踪器，其中：
所述改进的非线性跟踪微分器接收光伏阵列的输出电流和参考电压，得到 功率信号，使用二阶微分方法求取微分值，基于泰勒公式的方法对离散型的非 线性跟踪微分器进行补偿；
所述最大功率点跟踪器接收所述非线性跟踪微分器的输出值，被配置为利 用电导增量法实现最大功率点追踪。
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的到一个功率信号，将其传送到改进的最速跟踪微分器 中，经过跟踪微分器进行了滤波同时传送出功率信号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 同时输出电压信号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>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。
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基于泰勒公式的最大功率跟踪方法。
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 行所述的一种基于泰勒公式的最大功率跟踪方法。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
经过泰勒公式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。
加入了最速跟踪微分器之后，能够有效减少误差，可以将扰动量进行滤除， 基本可以跟踪上最大功率点，使用加入基于泰勒公式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，可以进一步的提高跟踪效 率，使得功率损失和误差减小。
基于泰勒公式的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(a)和图2(b)是经典微分器与跟踪微分器在有扰动情况下的效果图；
图3是离散型的最速跟踪微分器的真实信号和跟踪信号的延迟示意图；
图4是n阶级联的最速跟踪微分器；
图5是基于泰勒公式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。
一种基于泰勒公式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：
采用线性跟踪微分器对电导增量法进行最大功率点追踪时，由于线性跟踪 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(即采用饱和函数构造的非线性跟踪微分器)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利用泰勒公式的方 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。
基于泰勒公式的最速跟踪微分器的MPPT的系统框图如图1所示：
基于泰勒公式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：
式(2)为光伏阵列达到最大功率点的条件，即当输出电压的变化率等于输 出瞬态电导的幅值时，光伏阵列即工作于最大功率点。
线性跟踪微分器：由于带有扰动的信号经由经典的微分器时会产生噪声放 大效应，因此在原来的采用一阶惯性环节的基础上，韩京清老师提出了采用两 个惯性环节构造微分器，这就可以有效的降低噪声放大作用，而这个也是微分 跟踪器的思路来源，跟踪微分器的经典模型如下：
其中，r为速度因子，h为步长。
经典微分器与跟踪微分器的效果仿真图如图2(a)和(b)所示，可以看出 跟踪微分器能有效的降低噪声放大作用。但是于响应速度来说，速度越快跟踪 效果越好，因此我们急需找到一种可以提高响应速度的方法，进而对提出了非 线性的跟踪微分器。
最速跟踪微分器(采用饱和函数的非线性跟踪微分器)：针对符号函数的非 线性跟踪微分器具有高频震颤的原因，才用饱和函数，消除高频震颤。离散化 最速跟踪微分器的模型如下
仿真效果图，如图3所示：虽然，滤波效果得到了明显的提高，但是存在 明显的相位延迟。
基于泰勒公式的最速跟踪微分器：
泰勒公式：
最速跟踪微分器存在明显的相位延迟问题，受产生相位延迟的仿真结果图 如图3中的信号之间的关系以及泰勒公式如式(5)的启发而提出的。经过对比 发现相位延迟和泰勒公式有一定的相似之处，因此就想到采用基于泰勒公式的 方法对离散形式的最速跟踪微分器的相位延迟情况进行补偿。
采用基于泰勒公式的方法对离散型的最速跟踪微分(DNTD)器进行补偿的 步骤:
1.首先建立一个DNTD的级联(假设每一个DNTD中的r都是相等的)。将信 号v(t)输入，而在t时刻从基于i阶DNTD中得到跟踪V的i阶微分vit的输出信号x1i (即x1的i阶导数)和i阶微分信号x2i，其中x2i为x1i的导数。其相应的关系(即基 于泰勒公式的DNTD)如图4所示，由图3可知其中x1i为滤波信号近似为，y(i-1)， x2i为微分信号，近似为y(i)。
2.根据泰勒公式，再加上t1-t2之间的相位延迟，我们利用近似等于y(t1), 公式如下:
从公式中可以看出，我们可以利用t2时刻的函数值表示t1时刻的，再结合图 3我们可以得到公式如下:
通过这种方法就可以离散型的最速跟踪微分器(DNTD)在保证滤波效果的 情况下，使得相位延迟减少，尽可能的跟踪上原始信号，跟踪效果图如图5所 示。
基于泰勒公式的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 泰勒公式的最速跟踪微分器可以消除相位延迟，可以提高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，即利用两个惯性环节代替一个惯性环节，能够 减少超调量，提高系统的动态性能。
3)将基于泰勒公式的离散型最速跟踪微分器输出的信号输入到光伏系统 电导增量法之中，其中为了节约成本选取2阶级联的最速跟踪微分器即可，这 样可以利用电导增量法实现最大功率点追踪。
首先根据光电转换的原理可知，光伏电池当与一个电流为Iph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；Tref环 境温度；IO二极管反向电流；Rs是串联电阻；Rsh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；Isc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，例如，在0.01s时使得温度从45℃降到-19℃；在针对光伏 阵列受温度影响的情况，也会模拟温度的变化，例如光伏阵列初始光照强度为 900W/m2；在0.1s将光照强度从900W/m2降到700W/m2；在0.5s时,将光照强 度从700W/m2升到1000W/m2；在1s时,光照强度从1000W/m2降到600W/m2。
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的到一个功率信号，将其传送到改进的最速跟踪微 分器(即基于泰勒公式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＞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。
综上，在传统的电导增量法追踪最大功率点的基础上，增加了离散型的最 速跟踪微分器，对扰动信号进行滤波处理。
根据电导增量法加入了离散型的最速跟踪微分器的基础上采用了泰勒公式 以提高跟踪最大功率点的效率与准确性；
含有干扰的信号经由跟踪微分器，可以对有随机噪声或不连续的量进行提 取，得到较为准确的跟踪信号，可以提高系统的精度。
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 (10)

1.一种基于泰勒公式的最大功率跟踪方法，其特征是：包括以下步骤：
利用采用饱和函数构造的非线性跟踪微分器，并利用泰勒公式对所述非线性跟踪微分器的相位延迟性能进行优化处理，以解决滤波效果和相位延时效应的矛盾性，再利用电导增量法进行最大功率点追踪。
2.一种基于泰勒公式的最大功率跟踪方法，其特征是：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非线性跟踪微分器，利用泰勒公式的方法，对非线性跟踪微分器的相位延迟性能进行优化处理，将非线性跟踪微分器的输出信号利用电导增量法实现最大功率点追踪。
3.如权利要求1或2所述的一种基于泰勒公式的最大功率跟踪方法，其特征是：所述非线性跟踪微分器为采用饱和函数的非线性跟踪微分器。
4.如权利要求1或2所述的一种基于泰勒公式的最大功率跟踪方法，其特征是：基于泰勒公式的方法对离散型的非线性跟踪微分器进行补偿，建立最速跟踪微分的级联，每个最速跟踪微分的参数一致，根据泰勒公式进行相位延迟。
5.如权利要求1或2所述的一种基于泰勒公式的最大功率跟踪方法，其特征是：使用二阶微分求取非线性跟踪微分器的微分值。
6.一种基于泰勒公式的最大功率跟踪系统，其特征是：包括改进的最速跟踪微分器和最大功率点跟踪器，其中：
所述改进的非线性跟踪微分器接收光伏阵列的输出电流和参考电压，得到功率信号，使用二阶微分方法求取微分值，基于泰勒公式的方法对离散型的非线性跟踪微分器进行补偿；
所述最大功率点跟踪器接收所述非线性跟踪微分器的输出值，被配置为利用电导增量法实现最大功率点追踪。
7.如权利要求6所述的一种基于泰勒公式的最大功率跟踪系统，其特征是：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的到一个功率信号，将其传送到改进的最速跟踪微分器中，经过跟踪微分器进行了滤波同时传送出功率信号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电压信号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。
8.如权利要求7所述的一种基于泰勒公式的最大功率跟踪系统，其特征是：当dP/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。
9.一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1-5中任一项所述的一种基于泰勒公式的最大功率跟踪方法。
10.一种终端设备，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1-5中任一项所述的一种基于泰勒公式的最大功率跟踪方法。
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