CN114690840B - 带有前置功率监测并进行平衡的mppt控制系统 - Google Patents

带有前置功率监测并进行平衡的mppt控制系统 Download PDF

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CN114690840B CN202210603227.XA CN202210603227A CN114690840B CN 114690840 B CN114690840 B CN 114690840B CN 202210603227 A CN202210603227 A CN 202210603227A CN 114690840 B CN114690840 B CN 114690840B
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Abstract

本发明公开一种带有前置功率监测并进行平衡的MPPT控制系统，通过设置第一控制单元实现第二控制单元工作状态的控制；通过设置第二控制单元，实现太阳能光伏电池阵列输出的电流、电压、功率或者纹波数据信息的控制，通过太阳能光伏电池阵列，将太阳光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力；通过DC/DC转换模块，实现电路中电流升压或者降压；通过前置功率监测模块，实现光伏发电过程中功率信息转换过程功率数据信息监测；通过IPM功率因数校正电路，实现光伏发电过程中功率数据信息因素校正。该系统能够实现前置功率的检测，并且能够实现前置功率平衡，大大提高了太阳能电池板、蓄电池、负载等工作的能力。

Description

带有前置功率监测并进行平衡的MPPT控制系统
技术领域
本发明涉及频率调节及控制领域，且更确切地涉及一种带有前置功率监测并进行平衡的MPPT控制系统。
背景技术
MPPT控制器的全称“最大功率点跟踪”（Maximum Power Point Tracking）太阳能控制器，是传统太阳能充放电控制器的升级换代产品。MPPT控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最大功率输出对蓄电池充电。应用于太阳能光伏系统中，协调太阳能电池板、蓄电池、负载的工作，是光伏系统的大脑。
MPPT控制器主要功能是检测主回路直流电压及输出电流，计算出太阳能阵列的输出功率，并实现对最大功率点的追踪。扰动电阻R和MOSFET串连在一起，在输出电压基本稳定的条件下，通过改变MOSFET的占空比，来改变通过电阻的平均电流，因此产生了电流的扰动。同时，光伏电池的输出电流电压亦将随之变化，通过测量扰动前后光伏电池输出功率和电压的变化，以决定下一周期的扰动方向，当扰动方向正确时太阳能光能板输出功率增加，下周期继续朝同一方向扰动，反之，朝反方向扰动，如此，反复进行着扰动与观察来使太阳能光电板输出达最大功率点。
传统的MPPT控制系统在实现前置功率监测时存在一定技术滞后性性，需要采用其他设备实现前置功率的检测，并且无法实现前置功率平衡。这就给太阳能充放电控制器带来困扰。
发明内容
针对上述提及的技术问题，本发明公开一种带有前置功率监测并进行平衡的MPPT控制系统，该系统能够实现前置功率的检测，并且能够实现前置功率平衡，大大提高了太阳能电池板、蓄电池、负载等工作的能力。
为了实现上述技术效果，本发明采用以下技术方案：
一种带有前置功率监测并进行平衡的MPPT控制系统，其中包括：
第一控制单元；用于实现第二控制单元工作状态的控制；MPPT控制模块为DSP控制器；
第二控制单元，用于控制太阳能光伏电池阵列输出的电流、电压、功率或者纹波数据信息，第二控制单元为MPPT控制模块；
太阳能光伏电池阵列，将太阳光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力；
DC/DC转换模块，实现电路中电流升压或者降压；
前置功率监测模块，实现光伏发电过程中功率信息转换过程功率数据信息监测；
IPM功率因数校正电路，实现光伏发电过程中功率数据信息因素校正；
储能模块，实用光伏发电过程中功率数据信息存储；
驱动模块，实现第二控制单元工作过程中的驱动；使第二控制单元处于工作状态；
电路负载，在电路中实现数据信息应用，作为应用终端存在；
其中所述第一控制单元的输出端与第二控制单元的输入端连接，所述第二控制单元分别与DC/DC转换模块、前置功率监测模块、IPM功率因数校正电路、储能模块、驱动模块和电路负载连接，所述太阳能光伏电池阵列的输出端DC/DC转换模块的输入端连接，所述DC/DC转换模块的输出端与前置功率监测模块的输入端连接，所述前置功率监测模块的输出端与IPM功率因数校正电路的输入端连接。
作为本发明进一步的技术方案，所述DSP控制器为TMS320F28335芯片的控制模块，所述MPPT控制模块为ARM微处理器控制模块，通过数字方式控制模拟电路。
作为本发明进一步的技术方案，前置功率监测模块包括MSP430FG4619单片机电路、电源模块、运算器电路、滤波电路、调理放大电路、A/D转换模块、电压放大器、电流放大器、控制器电路、故障识别模块、A/D转换模块和应用终端，其中所述电源模块向各个模块输出正常工作需求的电压、电流或者功率，所述运算器电路的输出端与A/D转换模块的输入端连接，滤波电路和滤波电路的输出端与运算器电路的输入端连接，A/D转换模块的输出端与MSP430FG4619单片机电路的输入端连接，MSP430FG4619单片机电路的输出端分别与电压放大器、电流放大器和控制器电路的输入端连接，所述控制器电路的输出端与故障识别模块和D/A转换模块的输入端连接，所述D/A转换模块的输出端与应用终端连接。
作为本发明进一步的技术方案，所述D/A转换模块包括AD554芯片电路和AD8620芯片电路，其中所述AD554芯片电路输出端与AD8620芯片电路的输入端连接，其中AD8620芯片电路为2个相同AD8620芯片电路串联连接的电路，D/A转换模块的转换效率为VIN = (D/32,768–1) × VREF ；其中VREF为参考电压REF102 的输出。
作为本发明进一步的技术方案，所述电流放大器为基于OPA548运放电路。
作为本发明进一步的技术方案，所述电压放大器为基于3483芯片的放大电路。
作为本发明进一步的技术方案，所述控制器电路为基于DSP控制芯片电路。
作为本发明进一步的技术方案，所述故障识别模块为基于门控循环单元网络的功率预测模型，所述门控循环单元网络的功率预测模型。
作为本发明进一步的技术方案，所述故障识别模块通过门控循环单元网络实现功率监测，方法为：
步骤一、设置算法模型的参数，将门控循环单元网络GRU划分为更新门
Figure 529370DEST_PATH_IMAGE001
和重置 门
Figure 180931DEST_PATH_IMAGE002
，更新门是由LSTM中的遗忘门和输入门合并而成；
步骤二、设置算法模型的计算过程，在t时刻时，GRU网络接收当前状态记作为
Figure 55608DEST_PATH_IMAGE003
、 上一时刻的隐藏状态记作为
Figure 919659DEST_PATH_IMAGE004
，更新门同时进行遗忘和记忆两个步骤，决定选择输入网 络的信息和遗忘过去的信息，重置门决定进行遗忘过去的信息量，GRU网络的输出
Figure 530769DEST_PATH_IMAGE005
最终 由更新门和重置门的动态控制形成，表达式为：
Figure 946707DEST_PATH_IMAGE006
（1）
式（1）中，
Figure 682581DEST_PATH_IMAGE007
表示连接隐藏层输出信号的参数矩阵，
Figure 474957DEST_PATH_IMAGE008
表示连接输入信号的参数 矩阵，
Figure 612677DEST_PATH_IMAGE009
表示非线性函数；
步骤三、构建GWO算法模型
应用在参数寻优，GWO将模型参数寻优过程模拟为灰狼监测功率种群捕食功率故障因素猎物，在功率故障检索狼群内部由高到低分为四个等级，利用LHS对GWO监测功率种群进行初始化，保证了监测功率种群初始监测功率参数抽样过程的稳定性，同时使得初始监测功率参数更均匀的分布在解空间中，有效提高GWO的收敛速度；
步骤四、故障点查找，灰狼监测功率种群在寻找功率故障因素猎物时灰狼和功率故障因素猎物的位置距离可表示为：
Figure 963631DEST_PATH_IMAGE010
（2）
式（2）中，
Figure 186802DEST_PATH_IMAGE011
表示灰狼当前位置向量，
Figure 517289DEST_PATH_IMAGE012
表示功率故障因素猎物的位置向量，
Figure 509516DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 532835DEST_PATH_IMAGE014
表示系数向量，
Figure 571199DEST_PATH_IMAGE015
表示迭代次数；当功率故障检索狼群包围功率故障因素猎物后，灰 狼的位置坐标会随着功率故障因素猎物的位置而变化，位置表示为：
Figure 315164DEST_PATH_IMAGE016
（3）
式（3）中，
Figure 53575DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 857583DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 179980DEST_PATH_IMAGE019
表示功率故障检索狼群的位置向量，
Figure 993215DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 84668DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 325156DEST_PATH_IMAGE022
表示功率 故障检索狼群与最低级狼
Figure 869270DEST_PATH_IMAGE023
的距离向量；
步骤五、利用GWO模型寻优，该过程模拟为功率故障检索狼群捕猎过程，功率故障 检索狼群内部分为
Figure 52907DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 874233DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 410257DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 317033DEST_PATH_IMAGE027
四个等级，其中
Figure 596704DEST_PATH_IMAGE028
为最上级狼，
Figure 866012DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 448303DEST_PATH_IMAGE030
为下级狼，
Figure 468473DEST_PATH_IMAGE031
为最低 级狼，通过调节系数向量
Figure 161623DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 816595DEST_PATH_IMAGE033
实现最优解的寻优；
步骤六、误差评估，
通过归一化均方根误差，
对风电场超短期预测结果进行评价，误差函数为：
Figure 835367DEST_PATH_IMAGE034
（4）
式（4）中，
Figure 841369DEST_PATH_IMAGE035
表示功率预测步长，
Figure 338209DEST_PATH_IMAGE036
表示功率输入容量，
Figure 113267DEST_PATH_IMAGE037
表示模型的预测值，
Figure 771782DEST_PATH_IMAGE038
表示实际功率值。
作为本发明进一步的技术方案，所述IPM功率因数校正电路用于校正电路中的瞬时校正瞬时功率因数，以实现功率平衡，IPM功率因数校正电路包括电压模块、整流桥电路、晶体管开关电路和取样电路，其中所述电压模块的输出端与整流桥电路的输入端连接，所述整流桥电路的输出端与晶体管开关电路的输入端连接，所述晶体管开关电路的输出端与取样电路的输入端连接。
作为本发明进一步的技术方案，应用IPM功率因数校正电路实现电路校正的方法为：
通过有源输入电压周期变化，对变化中的电压进行畸变分析，经过校正后输出表示为：
Figure 966878DEST_PATH_IMAGE039
(5)
式(5)中，
Figure 126463DEST_PATH_IMAGE040
表示电源占空比，
Figure 896973DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure 851023DEST_PATH_IMAGE042
表示校正电路晶体管导通时间，
Figure 706983DEST_PATH_IMAGE043
表 示电路运行周期；输入电压变化频率较大时可认定为电压输入常数，即：
Figure 935839DEST_PATH_IMAGE044
(6)
式(6)中，
Figure 295277DEST_PATH_IMAGE045
为电路幅值输入量，
Figure 187271DEST_PATH_IMAGE046
表示电路校正过程的通断时间，
Figure 264949DEST_PATH_IMAGE047
，
Figure 235179DEST_PATH_IMAGE048
表示校正电路角频率；
校正电路运行中将电源输入量离散变化，关断瞬间过零电压较小，电感电流无法达到功率开关导通条件；当输入大于有源额定时，通过时间短，电感运行缓慢，校正电路断续运行；当电源处于额定工作状态时，电压输入变大，电感导通时间长，此时处于连续导通状态；
由于校正电流通断过程反复进行，对某段运行范围采用平均值法计算平均电流为：
Figure 839336DEST_PATH_IMAGE049
(7)
式(7)中，
Figure 276133DEST_PATH_IMAGE050
表示周期电流变化的初始值，
Figure 965741DEST_PATH_IMAGE051
表示周期电流变化的最终值，
Figure 146186DEST_PATH_IMAGE052
为电流变化的峰值；
Figure 363104DEST_PATH_IMAGE053
表示电路运行校正之后电流断开延迟；
根据校正电路运行状态，在电流正弦变化范围内计算峰值电流为：
Figure 970803DEST_PATH_IMAGE054
(8)
式(8)中，
Figure 147707DEST_PATH_IMAGE055
表示电路输入电流，
Figure 866264DEST_PATH_IMAGE056
表示校正电路晶体管导通时间，
Figure 445013DEST_PATH_IMAGE057
表示电路 校正过程中的线路长度，
Figure 551509DEST_PATH_IMAGE058
表示周期电流变化的初始值；当电流变化峰值小于标准校正 电流时，晶体管的导通随给定电流脉冲变化而变化；若电流变化峰值大于标准电流时，则：
Figure 91075DEST_PATH_IMAGE059
（9)
其中
Figure 239422DEST_PATH_IMAGE060
表示理想状态下的电流值；
通过上述方法实现校正。
本发明有益的积极效果在于：
通过设置第一控制单元实现第二控制单元工作状态的控制；通过设置第二控制单元，实现太阳能光伏电池阵列输出的电流、电压、功率或者纹波数据信息的控制，通过太阳能光伏电池阵列，将太阳光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力；通过DC/DC转换模块，实现电路中电流升压或者降压；通过前置功率监测模块，实现光伏发电过程中功率信息转换过程功率数据信息监测；通过IPM功率因数校正电路，实现光伏发电过程中功率数据信息因素校正；通过储能模块，实用光伏发电过程中功率数据信息存储；通过驱动模块，实现第二控制单元工作过程中的驱动；使第二控制单元处于工作状态；通过电路负载，在电路中实现数据信息应用，作为应用终端存在；该系统能够实现前置功率的检测，并且能够实现前置功率平衡，大大提高了太阳能电池板、蓄电池、负载等工作的能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
图1为本发明总体架构示意图；
图2为本发明中前置功率监测模块原理示意图；
图3为本发明中IPM功率因素校正电路；
图4为本发明中IPM功率因素校正电路在一种实施例中的对比示意图；
图5为本发明中IPM功率因素校正电路在另一种实施例中工作性能对比示意图；
图6为本发明中图5中对比电路原理示意图；
图7为本发明中DA转换模块原理示意图；
图8为发明中电流放大器原理示意图；
图9为发明中电压功率放大器原理示意图；
图10为发明中功率监测的方法流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种带有前置功率监测并进行平衡的MPPT控制系统，包括：
第一控制单元；用于实现第二控制单元工作状态的控制；MPPT控制模块为DSP控制器；
第二控制单元，用于控制太阳能光伏电池阵列输出的电流、电压、功率或者纹波数据信息，第二控制单元为MPPT控制模块；
太阳能光伏电池阵列，将太阳光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力；
DC/DC转换模块，实现电路中电流升压或者降压；
前置功率监测模块，实现光伏发电过程中功率信息转换过程功率数据信息监测；
IPM功率因数校正电路，实现光伏发电过程中功率数据信息因素校正；
储能模块，实用光伏发电过程中功率数据信息存储；
驱动模块，实现第二控制单元工作过程中的驱动；使第二控制单元处于工作状态；
电路负载，在电路中实现数据信息应用，作为应用终端存在；
其中所述第一控制单元的输出端与第二控制单元的输入端连接，所述第二控制单元分别与DC/DC转换模块、前置功率监测模块、IPM功率因数校正电路、储能模块、驱动模块和电路负载连接，所述太阳能光伏电池阵列的输出端DC/DC转换模块的输入端连接，所述DC/DC转换模块的输出端与前置功率监测模块的输入端连接，所述前置功率监测模块的输出端与IPM功率因数校正电路的输入端连接。
在上述实施例中，所述DSP控制器为TMS320F28335芯片的控制模块，所述MPPT控制模块为ARM微处理器控制模块，通过数字方式控制模拟电路。
在具体实施例中，MPPT太阳能控制器要更为复杂一些，成本上也要更高一点，价格通常是PWM太阳能控制器的几倍乃至数十倍，MPPT太阳能控制器能够调整输入电压，以便能从太阳能电池板中获取最大的能量。MPPT控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最大功率输出对蓄电池充电。
在上述实施例中，如图2所示，前置功率监测模块包括MSP430FG4619单片机电路、电源模块、运算器电路、滤波电路、调理放大电路、A/D转换模块、电压放大器、电流放大器、控制器电路、故障识别模块、A/D转换模块和应用终端，其中所述电源模块向各个模块输出正常工作需求的电压、电流或者功率，所述运算器电路的输出端与A/D转换模块的输入端连接，滤波电路和滤波电路的输出端与运算器电路的输入端连接，A/D转换模块的输出端与MSP430FG4619单片机电路的输入端连接，MSP430FG4619单片机电路的输出端分别与电压放大器、电流放大器和控制器电路的输入端连接，所述控制器电路的输出端与故障识别模块和D/A转换模块的输入端连接，所述D/A转换模块的输出端与应用终端连接。
在上述实施例中，如图7所示，所述D/A转换模块包括AD554芯片电路和AD8620芯片电路，其中所述AD554芯片电路输出端与AD8620芯片电路的输入端连接，其中AD8620芯片电路为2个相同AD8620芯片电路串联连接的电路，D/A转换模块的转换效率为VIN = (D/32,768–1) × VREF ；其中VREF为参考电压REF102 的输出。
在具体实施例中， DA转换在SPORT口的控制下，完成从数字量到模拟量的转换，SPORT的同步时钟 SCLK设置为输入接入到定时器Timer的输出上， DA芯片在CLK和CS信号的控制下SDI数据按高位到低位的顺序传输并转换， 由于DA芯片AD5543为电流输出，所以通过运放U8_3转换为电压信号，同时为了实现双极性输出通过运放U8_4 转换为双极性。
在上述实施例中，如图8所示，电流放大器为基于OPA548运放电路。
在具体实施例中，在由功放模块OPA548 U11、反馈电阻 R5，以及电阻R1、R2、R3、R4组成，完成了电压到电流的跨导放大作用。该功放放大器电流采用高端反馈方式，其输出电流 I= R2 * VIN/(R1 * R5) = 1k*VIN/(10K*0.1)=VIN/1欧; 电流功放实现把1V的电压变差1A的电流。
在上述实施例中，如图9所示，电压放大器为基于3483芯片的放大电路。
电压功放由比例放大电路组成，其实输出的范围由芯片3483和工作电源决定，芯片3483最大可工作到+/- 150V。 电路的放大倍数为 Vo=（1+R2/R1）*Vin =11*Vin。为11倍。
所述控制器电路为基于DSP控制芯片电路。
故障识别模块为基于门控循环单元网络的功率预测模型，所述门控循环单元网络的功率预测模型。
如图10所示，通过门控循环单元网络实现功率监测的方法为：
步骤一、设置算法模型的参数，将门控循环单元网络GRU划分为更新门
Figure 548043DEST_PATH_IMAGE061
和重置 门
Figure 622178DEST_PATH_IMAGE062
，更新门是由LSTM中的遗忘门和输入门合并而成，模型架构简单，能够在保证模型预 测精度的同时减少了计算量和训练时间。
步骤二、设置算法模型的计算过程，在t时刻时，GRU网络接收当前状态记作为
Figure 649040DEST_PATH_IMAGE063
、上一时刻的隐藏状态记作为
Figure 99613DEST_PATH_IMAGE064
，更新门同时进行遗忘和记忆两个步骤，决定选择输入 网络的信息和遗忘过去的信息，重置门决定进行遗忘过去的信息量，GRU网络的输出
Figure 262741DEST_PATH_IMAGE065
最 终由更新门和重置门的动态控制形成，表达式为：
Figure 507778DEST_PATH_IMAGE066
（1）
式（1）中，
Figure 21936DEST_PATH_IMAGE067
表示连接隐藏层输出信号的参数矩阵，
Figure 712418DEST_PATH_IMAGE068
表示连接输入信号的参数 矩阵，
Figure 854686DEST_PATH_IMAGE069
表示非线性函数；
步骤三、构建GWO算法模型，灰狼寻优算法（Grey Wolf Optimizer，GWO）应用在参数寻优，GWO将模型参数寻优过程模拟为灰狼监测功率种群捕食功率故障因素猎物，在功率故障检索狼群内部由高到低分为四个等级，利用LHS对GWO监测功率种群进行初始化，保证了监测功率种群初始监测功率参数抽样过程的稳定性，同时使得初始监测功率参数更均匀的分布在解空间中，有效提高GWO的收敛速度；
步骤四、故障点查找，灰狼监测功率种群在寻找功率故障因素猎物时灰狼和功率故障因素猎物的位置距离可表示为：
Figure 411569DEST_PATH_IMAGE070
（2）
式（2）中，
Figure 272078DEST_PATH_IMAGE071
表示灰狼当前位置向量，
Figure 939820DEST_PATH_IMAGE072
表示功率故障因素猎物的位置向量，
Figure 202174DEST_PATH_IMAGE073
、
Figure 929958DEST_PATH_IMAGE074
表示系数向量，
Figure 779228DEST_PATH_IMAGE075
表示迭代次数；当功率故障检索狼群包围功率故障因素猎物后，灰 狼的位置坐标会随着功率故障因素猎物的位置而变化，位置表示为：
Figure 985081DEST_PATH_IMAGE076
（3）
式（3）中，
Figure 305204DEST_PATH_IMAGE077
、
Figure 328524DEST_PATH_IMAGE078
和
Figure 773412DEST_PATH_IMAGE079
表示功率故障检索狼群的位置向量，
Figure 907590DEST_PATH_IMAGE080
、
Figure 19902DEST_PATH_IMAGE081
和
Figure 718518DEST_PATH_IMAGE082
表示功率 故障检索狼群与最低级狼
Figure 916281DEST_PATH_IMAGE083
的距离向量；
步骤五、利用GWO模型寻优，该过程模拟为功率故障检索狼群捕猎过程，功率故障 检索狼群内部分为
Figure 588571DEST_PATH_IMAGE084
、
Figure 555390DEST_PATH_IMAGE085
、
Figure 654933DEST_PATH_IMAGE086
、
Figure 667888DEST_PATH_IMAGE087
四个等级，其中
Figure 19235DEST_PATH_IMAGE088
为最上级狼，
Figure 466659DEST_PATH_IMAGE089
、
Figure 878049DEST_PATH_IMAGE090
为下级狼，
Figure 909459DEST_PATH_IMAGE091
为最 低级狼，通过调节系数向量
Figure 64497DEST_PATH_IMAGE092
、
Figure 130542DEST_PATH_IMAGE093
实现最优解的寻优；
步骤六、误差评估，结合风电场之间的时空特性，考虑多位置NWP信息，通过特征提取方法筛选并提取预测模型输入变量，建立多变量时间序列预测模型。以通过归一化均方根误差，下文是指（Root Mean Square Error，RMSE）对风电场超短期预测结果进行评价，误差函数为：
Figure 447254DEST_PATH_IMAGE094
（4）
式（4）中，
Figure 965960DEST_PATH_IMAGE095
表示功率预测步长，
Figure 485540DEST_PATH_IMAGE096
表示功率输入容量，
Figure 547037DEST_PATH_IMAGE097
表示模型的预测值，
Figure 424863DEST_PATH_IMAGE098
表示实际功率值。
这本发明中，预测模型的预测步长在0-100m范围内，本申请结合将预测步长设定为15，预测模型初始化参数后，由改进后的GWO确定学习率0.013，模型迭代次数为300、批处理量为1，采用Sigmoid函数作为GRU网络的激活函数，模型测试集输入为预测时段加权后的多位置NWP信息、相邻功率信息，输出为的预测功率值。
在上述实施例中，如图3-6所示，IPM功率因数校正电路用于校正电路中的瞬时校正瞬时功率因数，以实现功率平衡，IPM功率因数校正电路包括电压模块、整流桥电路、晶体管开关电路和取样电路，其中所述电压模块的输出端与整流桥电路的输入端连接，所述整流桥电路的输出端与晶体管开关电路的输入端连接，所述晶体管开关电路的输出端与取样电路的输入端连接。
在上述实施例中，输入电网电压220V/50Hz经整流桥B变换得到全波脉动直流，再经大型晶体管转换为可控直流脉冲。R2，R3进行脉冲取样，与基准源Ui输入电流比对分析，比例放大器的输出作为电流基准。将功率开关电流与基准电流比较，如果小于基准值，就用开关电源专用集成块给定宽度的矩形波驱动功率开关Q。如果在给定导通时间内，Q的峰值电流提前达到基准值，则比较器翻转，提前关断Q。电压源Ui发生波动时，电路整体电流进行放大，为抑制波动晶体管反向关断，使电流流速降低，当晶体管前后电压降为零，此时导通，电压源波动影响得到缓解，避免了电路波动造成无功损耗。根据电路原理分析，电源输入的有源电流经IPM校正后，电网电压瞬时值较大，电感电流连续，此瞬时脉动的电流经高频滤波后，输出端得到准正弦波电流，电源电流得到校正。
一种应用IPM功率因数校正电路实现电路校正的方法：
通过有源输入电压周期变化，对变化中的电压进行畸变分析，经过校正后输出表示为：
Figure 306232DEST_PATH_IMAGE099
(1)
式中
Figure 662127DEST_PATH_IMAGE100
表示电源占空比，
Figure 640447DEST_PATH_IMAGE101
，
Figure 564541DEST_PATH_IMAGE102
表示校正电路晶体管导通时间，
Figure 559304DEST_PATH_IMAGE103
表 示电路运行周期；
电源输入电压一般是变化量，呈正弦曲线变化，输入电压变化频率较大时可认定为电压输入常数，即：
Figure 594256DEST_PATH_IMAGE104
(2)
式中
Figure 223820DEST_PATH_IMAGE105
为电路幅值输入量，
Figure 584395DEST_PATH_IMAGE106
表示电路校正过程的通断时间，
Figure 564989DEST_PATH_IMAGE107
，
Figure 138053DEST_PATH_IMAGE108
表示校正电路角频率；
校正电路运行中将电源输入量离散变化，关断瞬间过零电压较小，电感电流无法达到功率开关导通条件；当输入大于有源额定时，通过时间短，电感运行缓慢，校正电路断续运行；当电源处于额定工作状态时，电压输入变大，电感导通时间长，此时处于连续导通状态；
由于校正电流通断过程反复进行，对某段运行范围采用平均值法计算平均电流为：
Figure 887703DEST_PATH_IMAGE109
(3)
式中
Figure 997609DEST_PATH_IMAGE110
表示周期电流变化的初始值，
Figure 75286DEST_PATH_IMAGE111
表示周期电流变化的最终值，
Figure 842254DEST_PATH_IMAGE112
为电流 变化的峰值；
Figure 321777DEST_PATH_IMAGE113
表示电路运行校正之后电流断开延迟；
根据校正电路运行状态，在电流正弦变化范围内计算峰值电流为：
Figure 148787DEST_PATH_IMAGE114
(4)
式中
Figure 713761DEST_PATH_IMAGE115
表示电路输入电流，
Figure 753261DEST_PATH_IMAGE116
表示校正电路晶体管导通时间，
Figure 352869DEST_PATH_IMAGE117
表示电路校正 过程中的线路长度，
Figure 586667DEST_PATH_IMAGE118
表示周期电流变化的初始值；当电流变化峰值小于标准校正电流 时，晶体管的导通随给定电流脉冲变化而变化；若电流变化峰值大于标准电流时，则：
Figure 638937DEST_PATH_IMAGE119
(5)
其中
Figure 685390DEST_PATH_IMAGE120
表示理想状态下的电流值；
通过上述方法实现校正。
在一种具实施例中，由于 IPM校正电路整个过程都存在谐波影响，校正波形最终功率因数计算结果是通过正弦和余弦值分析得出，因此电源畸变率直接忽略，若当三相不对称时，IPM校正方法运算方式仍能准确校正功率因数，图中MCU校正电路超前于IPM电路135个相位差，IPM校正电路具有明显运行滞后性；从图中可以看出两种电路均在35ms完成校正，但MCU在5ms时幅频特性达到最大值，IPM则在10ms时达到最大，因此IPM校正时延要短于MCU校正电路；另外两种校正电路幅频特性峰值为4.8V，谷值为1.8V，基本相同，而且两者最终校正幅频特性均为3.2V。因此， IPM则适用于大电流电路，更加具有广泛性，对大功率电路集成统一校正功率因数，保证整体有用功输出。
微控制单元(MCU)为主控中心原理示意图如6所示，通过对比可以看到，该研究方法工作性能好，校正前后曲线差距很大。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (6)

1.一种带有前置功率监测并进行平衡的MPPT控制系统，其特征在于：包括：
第一控制单元；用于实现第二控制单元工作状态的控制；第二控制单元，用于控制太阳能光伏电池阵列输出的电流、电压、功率或者纹波数据信息，第二控制单元为MPPT控制模块,MPPT控制模块为DSP控制器；
太阳能光伏电池阵列，将太阳光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力；
DC/DC转换模块，实现电路中电流升压或者降压；
前置功率监测模块，实现光伏发电过程中功率信息转换过程功率数据信息监测；
IPM功率因数校正电路，实现光伏发电过程中功率数据信息因素校正；所述IPM功率因数校正电路用于校正电路中的瞬时校正瞬时功率因数，以实现功率平衡，IPM功率因数校正电路包括电压模块、整流桥电路、晶体管开关电路和取样电路，其中所述电压模块的输出端与整流桥电路的输入端连接，所述整流桥电路的输出端与晶体管开关电路的输入端连接，所述晶体管开关电路的输出端与取样电路的输入端连接，应用IPM功率因数校正电路实现电路校正的方法为：
通过有源输入电压周期变化，对变化中的电压进行畸变分析，经过校正后输出表示为：
Figure 335064DEST_PATH_IMAGE001
(1)
式(1)中，
Figure 111259DEST_PATH_IMAGE002
表示电源占空比，
Figure 953313DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 817364DEST_PATH_IMAGE004
表示校正电路晶体管导通时间，
Figure 694053DEST_PATH_IMAGE005
表示电路运行周期；输入电压变化频率较大时可认定为电压输入常数，即：
Figure 109991DEST_PATH_IMAGE006
(2)
式(2)中，
Figure 173762DEST_PATH_IMAGE007
为电路幅值输入量，
Figure 841504DEST_PATH_IMAGE008
表示电路校正过程的通断时间，
Figure 372367DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 834572DEST_PATH_IMAGE010
表示校正电路角频率；
校正电路运行中将电源输入量离散变化，关断瞬间过零电压较小，电感电流无法达到功率开关导通条件；当输入大于有源额定时，通过时间短，电感运行缓慢，校正电路断续运行；当电源处于额定工作状态时，电压输入变大，电感导通时间长，此时处于连续导通状态；
由于校正电流通断过程反复进行，对某段运行范围采用平均值法计算平均电流为：
Figure 651218DEST_PATH_IMAGE011
(3)
式(3)中，
Figure 981705DEST_PATH_IMAGE012
表示周期电流变化的初始值，
Figure 567408DEST_PATH_IMAGE013
表示周期电流变化的最终值，
Figure 466093DEST_PATH_IMAGE014
为电流变化的峰值；
Figure 301194DEST_PATH_IMAGE015
表示电路运行校正之后电流断开延迟；
根据校正电路运行状态，在电流正弦变化范围内计算峰值电流为：
Figure 373055DEST_PATH_IMAGE016
(4)
式(4)中，
Figure 750947DEST_PATH_IMAGE017
表示电路输入电流，
Figure 679589DEST_PATH_IMAGE018
表示校正电路晶体管导通时间，
Figure 470827DEST_PATH_IMAGE019
表示电路校正过程中的线路长度，
Figure 18483DEST_PATH_IMAGE020
表示周期电流变化的初始值；当电流变化峰值小于标准校正电流时，晶体管的导通随给定电流脉冲变化而变化；若电流变化峰值大于标准电流时，则：
Figure 316128DEST_PATH_IMAGE021
（5)
其中
Figure 681250DEST_PATH_IMAGE022
表示理想状态下的电流值；
通过上述方法实现校正；储能模块，实现光伏发电过程中功率数据信息存储；
驱动模块，实现第二控制单元工作过程中的驱动；使第二控制单元处于工作状态；
电路负载，在电路中实现数据信息应用，作为应用终端存在；
其中所述第一控制单元的输出端与第二控制单元的输入端连接，所述第二控制单元分别与DC/DC转换模块、前置功率监测模块、IPM功率因数校正电路、储能模块、驱动模块和电路负载连接，所述太阳能光伏电池阵列的输出端与DC/DC转换模块的输入端连接，所述DC/DC转换模块的输出端与前置功率监测模块的输入端连接，所述前置功率监测模块的输出端与IPM功率因数校正电路的输入端连接；
其中前置功率监测模块包括MSP430FG4619单片机电路、电源模块、运算器电路、滤波电路、调理放大电路、A/D转换模块、电压放大器、电流放大器、控制器电路、故障识别模块、D/A转换模块和应用终端，其中所述电源模块向各个模块输出正常工作需求的电压、电流或者功率，所述运算器电路的输出端与A/D转换模块的输入端连接，调理放大电路和滤波电路的输出端与运算器电路的输入端连接，A/D转换模块的输出端与MSP430FG4619单片机电路的输入端连接，MSP430FG4619单片机电路的输出端分别与电压放大器、电流放大器和控制器电路的输入端连接，所述控制器电路的输出端与故障识别模块和D/A转换模块的输入端连接，所述D/A转换模块的输出端与应用终端连接；
所述故障识别模块为基于门控循环单元网络的功率预测模型；
所述故障识别模块通过门控循环单元网络实现功率监测，方法为：
步骤一、设置算法模型的参数，将门控循环单元网络GRU划分为更新门
Figure 366310DEST_PATH_IMAGE023
和重置门
Figure 45553DEST_PATH_IMAGE024
，更新门是由LSTM中的遗忘门和输入门合并而成，
步骤二、设置算法模型的计算过程，在
Figure 257091DEST_PATH_IMAGE025
时刻时，GRU网络接收当前状态记作为
Figure 996377DEST_PATH_IMAGE026
、上一时刻的隐藏状态记作为
Figure 168732DEST_PATH_IMAGE027
，更新门同时进行遗忘和记忆两个步骤，决定选择输入网络的信息和遗忘过去的信息，重置门决定进行遗忘过去的信息量，GRU网络的输出
Figure 651666DEST_PATH_IMAGE028
最终由更新门和重置门的动态控制形成，表达式为：
Figure 920974DEST_PATH_IMAGE029
（6）
式（6）中，
Figure 893478DEST_PATH_IMAGE030
表示连接隐藏层输出信号的参数矩阵，
Figure 606657DEST_PATH_IMAGE031
表示连接输入信号的参数矩阵，
Figure 299807DEST_PATH_IMAGE032
表示非线性函数；
步骤三、构建GWO算法模型
应用在参数寻优，GWO将模型参数寻优过程模拟为灰狼监测功率种群捕食功率故障因素猎物，在功率故障检索狼群内部由高到低分为四个等级，利用LHS对GWO监测功率种群进行初始化，保证了监测功率种群初始监测功率参数抽样过程的稳定性，同时使得初始监测功率参数更均匀的分布在解空间中，有效提高GWO的收敛速度；
步骤四、故障点查找，灰狼监测功率种群在寻找功率故障因素猎物时灰狼和功率故障因素猎物的位置距离可表示为：
Figure 220358DEST_PATH_IMAGE033
（7）
式（7）中，
Figure 301447DEST_PATH_IMAGE034
表示灰狼当前位置向量，
Figure 182815DEST_PATH_IMAGE035
表示功率故障因素猎物的位置向量，
Figure 69868DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 48189DEST_PATH_IMAGE037
表示系数向量，
Figure 706703DEST_PATH_IMAGE025
表示迭代次数；当功率故障检索狼群包围功率故障因素猎物后，灰狼的位置坐标会随着功率故障因素猎物的位置而变化，位置表示为：
Figure 465581DEST_PATH_IMAGE038
（8）
式（8）中，
Figure 828429DEST_PATH_IMAGE039
、
Figure 598939DEST_PATH_IMAGE040
和
Figure 818567DEST_PATH_IMAGE041
表示功率故障检索狼群的位置向量，
Figure 5354DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure 109576DEST_PATH_IMAGE043
和
Figure 796909DEST_PATH_IMAGE044
表示功率故障检索狼群与最低级狼
Figure 453019DEST_PATH_IMAGE045
的距离向量；
步骤五、利用GWO模型寻优，该过程模拟为功率故障检索狼群捕猎过程，功率故障检索狼群内部分为
Figure 530696DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure 500926DEST_PATH_IMAGE047
、
Figure 105083DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure 541880DEST_PATH_IMAGE045
四个等级，其中
Figure 700329DEST_PATH_IMAGE046
为最上级狼，
Figure 270988DEST_PATH_IMAGE047
、
Figure 932913DEST_PATH_IMAGE048
为下级狼，
Figure 806191DEST_PATH_IMAGE045
为最低级狼，通过调节系数向量
Figure 189287DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 32478DEST_PATH_IMAGE049
实现最优解的寻优；
步骤六、误差评估，
通过归一化均方根误差，
对风电场超短期预测结果进行评价，误差函数为：
Figure 752172DEST_PATH_IMAGE050
（9）
式（9）中，
Figure 858668DEST_PATH_IMAGE051
表示功率预测步长，
Figure 788447DEST_PATH_IMAGE052
表示功率输入容量，
Figure 638592DEST_PATH_IMAGE053
表示模型的预测值，
Figure 947213DEST_PATH_IMAGE054
表示实际功率值。
2.根据权利要求1所述的一种带有前置功率监测并进行平衡的MPPT控制系统，其特征在于：所述DSP控制器为TMS320F28335芯片的控制模块，所述MPPT控制模块为ARM微处理器控制模块，通过数字方式控制模拟电路。
3.根据权利要求1所述的一种带有前置功率监测并进行平衡的MPPT控制系统，其特征在于：所述D/A转换模块包括AD554芯片电路和AD8620芯片电路，其中所述AD554芯片电路输出端与AD8620芯片电路的输入端连接，其中AD8620芯片电路为2个相同AD8620芯片电路串联连接的电路，D/A转换模块的转换效率为VIN = (D/32,768–1) × VREF ；其中VREF为参考电压REF102 的输出。
4.根据权利要求1所述的一种带有前置功率监测并进行平衡的MPPT控制系统，其特征在于：所述电流放大器为基于OPA548运放电路。
5.根据权利要求1所述的一种带有前置功率监测并进行平衡的MPPT控制系统，其特征在于：所述电压放大器为基于3483芯片的放大电路。
6.根据权利要求1所述的一种带有前置功率监测并进行平衡的MPPT控制系统，其特征在于：所述控制器电路为基于DSP控制芯片电路。
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