光伏發電系統多峰值最大功率點跟蹤的谷值定界搜索方法
2023-08-04 08:10:26
專利名稱：光伏發電系統多峰值最大功率點跟蹤的谷值定界搜索方法
技術領域：
本發明專利是一種用於光伏發電系統中，解決多峰值情況下最大功率點跟蹤問題的搜索方法，屬於最優控制和最優化方法研究領域。
背景技術：
在光伏發電系統中，為了實現光伏發電系統的輸出功率最大化，需要對光伏電池的輸出功率進行最大功率點跟蹤，即保持系統工作在功率曲線的峰值點，最大效率地將太陽能轉變為電能。當前採用的優化算法主要針對輸出特性曲線為「單峰」的情況，主要包括 恆定電壓法、擾動觀測法、導納增量法。這些最大功率跟蹤方法的共同思想是不斷地調整電流或電壓的採集點，並隨時計算採集點上的功率，然後將當前時刻的功率與前一時刻的功率進行比較，決定後續採集點的運動方向，最後找到唯一的峰值點。實際光伏發電系統在應用中，為了防止「熱斑」的產生，通常在光伏組件電池內部或電池間的串聯電路上並聯一個旁路二極體。當陣列中的部分組件被遮擋時(如雲擋住部分光照或周圍的建築樹木產生的陰影)，「旁路二極體」被激活，組件或陣列的輸出特性將發生較大變化，反映在P-V特性曲線上則是出現「多峰」情況。對應不同的光照強度，會產生相應的波峰，光照強度的數目和波峰的數目是對應的。這時，原來針對單峰值尋優的算法只能讓系統工作在某一個的峰值附近，但無法確保系統工作在全局最大功率點上，從而無法最大效率地轉化太陽能。
發明內容
技術問題為解決原有最大功率點跟蹤算法僅對單峰值P-V輸出特性曲線有效， 無法保證多峰值情況搜索到全局最大功率點的問題。本發明提出一種穀值定界搜索的算法，該算法能夠在多峰值情況下，避免陷入局部最小值的「陷阱」，找到光伏系統的全局最大功率點。技術方案本發明算法解決多峰值最大功率點的搜索問題，所需條件已知P-V輸出特性曲線中的峰值個數。當前光伏電站內，不同位置的光伏陣列都安裝了測量光照強度的傳感器，當陣列中的部分組件被遮擋時，通過不同位置的傳感器可知道有多少不同的光強，從而知道輸出特性曲線中的峰值個數。所以，這個條件在實際系統中是完全能夠滿足的。在已知峰值個數的情況下，谷值定界搜索的技術方案按照以下步驟展開
第一步，搜索谷值選取一定數量的初始值(一般取谷值個數的兩倍左右)，按照等距離分布。根據這些電壓初始值，通過計算得到相應的功率值。而後選取合適的步長(可選為每段搜索區域的1/30-1/20)，利用定步長擾動觀測法，沿著功率變小的方向進行搜索，直到功率值不再變小為止，即往兩個方向搜索的功率值結果都變大。此時，可以確定這裡存在一個最低點(谷值)。該過程中如果出現搜索到其它初始值，即搜索越界的情況，則可以停止這一初始值的搜索過程，因為該初始值與另一初始值同處於一個峰值的區域範圍內。第二步，谷值定界根據第一步所得到的多個谷值進行定界，因為已知的峰值個數，可確定搜索過程可有遺漏，如果有遺漏，則進入彌補程序；如果沒有遺漏，則可以對搜索的整個區域進行定界，劃分波峰區域，從而確定各個峰值所在的範圍。彌補程序如果發現所得谷值的數目不夠，這時可能遺漏了峰值，需要進行彌補。 在未經搜索的局部區域插入初始值，進行重新搜索，找到所缺的谷值。這裡選擇谷值定界的原因在於(1)谷值的數目少於峰值數目，例如特性曲線中有4個峰值，只有3個谷值，這樣可以減少工作量；(2)運用谷值進行定界時，對谷值的準確度要求較低，知道大概的數值即可，因此步長可以選取較大的值，加快搜索速度。第三步，多域比較根據第二步定界的多個區域，分別進行最大值搜索。在每個波峰區域內，由(搜索谷值中的)初始值開始，運用定步長擾動觀測法，進行反向搜索。如果一個波峰內有兩個以上的初始值，選其中功率最大的點作為初始值。為提高效率，選取合適的步長值(搜索谷值中步長的1/2左右)，搜索到該區域內局部最大值(峰值)的粗略值；最後， 將不同區域內搜索得到的局部最大值進行比較，確定全局最大值所在的波峰範圍，而後進入確定區域進行精確搜索。第四步，定域尋優在確定的區域進行搜索時，使用第三步的搜索結果作為初始點沿著功率變大的方向進行搜索。這時需要進一步減小步長(開始可為多域比較中步長的1/5 左右)，採用變步長擾動觀測法，保證在較短時間內，準確地得到功率點的全局最大值。另外，該搜索方法還可以與單峰值搜索方法加以組合，通過判斷光照情況，決定所採用的控制算法。有益效果本發明的有益效果是，通過谷值定界搜索方法，實現對全局最大功率點的追蹤，從而保證在光伏陣列局部被遮擋情況下，仍然能夠有效地找到多峰值情況下的最大功率點。具體表現在以下方面①通過搜索谷值的過程，對多峰曲線進行分區，避免了以往搜索方法陷入局部最大值的情況，克服了單峰值控制算法的缺陷；②將分區域搜索得到的局部最大值進行比較，確定全局最大值所在區域，保證得到全局的最大功率點；③由於該方法在確定峰值區域後採用變步長的搜索策略，可以與單峰值搜索方法相結合，應對複雜光照情況的變化。綜上，本發明的谷值定界搜索控制算法的設計具有以下優點
1、克服單峰值搜索算法的缺陷，通過谷值定界，防止陷入局部最大值的「陷阱」；
2、針對實際光伏系統可能出現的多峰值情況，通過分區域搜索比較，增強了控制算法了對外界環境變化的適應能力；
3、採用變步長的設計思路，可以與原有單峰值搜索方法相組合，得到更為完善的光伏發電系統控制算法。
圖1是MPPT硬體結構圖。圖2是光伏電站併網系統的結構框圖。圖3是谷值定界搜索法的結構和功能圖。圖4是谷值定界搜索算法運行流程圖。
具體實施例方式在圖1中，給出了 MPPT硬體結構圖，其中包括以下功能模塊光伏陣列，主迴路 DC/DC變換器，蓄電池或DC/AC逆變器，電壓、電流信號提取模塊和主控制模塊。
在圖2中，給出了光伏系統MPPT的結構圖，其中包括光伏陣列、DC/DC變換器、 DC/AC逆變器、微控制器和蓄電池等。太陽光通過光伏陣列轉變為電能後，既可由逆變器併入電網，又可對鉛酸蓄電池進行充電，在微控制器中實現MPPT控制、充放電控制、驅動等各項功能。運用谷值定界搜索方法可實現其中的MPPT控制部分，該系統是一個具體應用實例。在圖3中，給出了谷值定界搜索方法的結構與相關功能。通過對外界環境的觀測， 當發現光伏系統出現多峰值輸出特性時，進入谷值定界搜索算法，具體分為四個步驟搜索谷值、谷值定界、多域比較、定域尋優。搜索谷值時，通過越界合併方法避免同一波峰範圍重複搜索；谷值定界時，如果發現谷值數目不夠，就通過彌補程序加以補足；在多域定界和定域尋優中，需要調整步長，提高算法的搜索速度。最後得到系統在多峰值情況下的全局最大值，驅動外圍硬體電路，實現跟蹤功能。在圖4中，給出了谷值定界搜索法運行流程。算法開始後，選取初始值和搜索步長，進入谷值搜索環節，通過最小值循環搜索，得到谷值。如果搜索越界，則停止該初始值的搜索過程。得到谷值後，進入谷值定界環節首先，判斷谷值是否遺漏。如果遺漏，則進入彌補程序，添加初始值，重新搜索；否則，根據就谷值進行搜索區域劃分。而後進入多域搜索環節，調整搜索步長，根據上一環節劃分的區域進行局部最大值搜索，得到多個局部最大值後通過比較確定全局最大值所在區域。最後，進入定域尋優環節，在確定的區域內，再次調整搜索步長，在較短時間內，準確地得到功率點的全局最大值。本發明的實施方案包括搭建MPPT的硬體平臺，在主晶片中根據谷值定界搜索方法編寫最大功率點跟蹤程序，提取電流、電壓信號進行簡單計算後輸入主晶片，通過主程序運行產生輸出驅動PWM電路，改變電壓值，實現對最大功率點的跟蹤。具體實施分為以下幾步
1根據圖1和圖2所示結構，搭建硬體迴路，包括光伏陣列、DC/DC變換器、主控
制系統和蓄電池(或DC/AC逆變器)。由光伏陣列將太陽能轉化為電能，通過DC/DC變換器將產生的電能轉化為蓄電池(或DC/AC逆變器)所需的電壓值，對其進行充電(或供電)。2在硬體迴路(圖1和圖2)的基礎上，需要調整變換器的輸出電壓，以跟蹤最大功率點。提取光伏陣列輸出端的電壓和電流值，並計算得到功率值，作為控制系統的輸入，以PWM驅動電路作為控制系統的輸出，形成一個閉環迴路，可實現對系統功率的調整。3完成硬體搭接後，在主控制系統晶片中進行軟體編程，通過算法實現谷值定界搜索功能，如圖3所示，具體包括搜索谷值、谷值定界、多域比較、定域尋優等環節。谷值定界搜索算法開始後，如圖4所示，首先進行谷值搜索，通過PWM驅動電路實現佔空比調整，獲得輸出特定曲線的谷值，作為定界的基準；而後，在定界所劃分的區域內， 依據調整後的步長，進行局部最大值搜索，讀取電壓和功率值，通過擾動觀測法比較功率大小，調整佔空比的變化方向，實現對局部最大功率點的跟蹤；最後，通過比較得到局部最大功率點，確定全局最大功率點所在波峰範圍，調整步長大小，在選定區域進行最大功率點搜索，從而得到多峰值情況下系統的全局最大功率點。
權利要求
1.一種光伏發電系統多峰值最大功率點跟蹤的谷值定界搜索方法，其特徵在於包括如下步驟第一步，搜索谷值選取一定數量的電壓初始值，電壓初始值按照等距離分布，通過 PWM驅動電路進行大步長的佔空比調整改變輸出電壓，然後提取太陽能電池板輸出端的電壓和電流，計算得到相應的功率值；而後選取搜索步長，利用定步長擾動觀測法，沿著功率值變小的方向進行搜索，直到功率值不再變小為止，即往兩個方向搜索的功率值結果都變大；此時，可以確定這裡存在一個最低點即谷值；如果出現搜索到其它初始值，即搜索越界的情況，則停止這一初始值的搜索過程；第二步，谷值定界根據第一步所得到的多個谷值進行定界，根據已知的峰值個數，確定搜索過程可有遺漏，如果有遺漏，則進入彌補；如果沒有遺漏，則對搜索的整個區域進行定界，劃分波峰區域，從而確定各個峰值所在的範圍；彌補如果發現所得谷值的數目不夠，在未經搜索的局部區域插入初始值，進行重新搜索，找到所缺的谷值；第三步，多域比較根據第二步定界的多個區域，分別進行最大值搜索，在每個波峰區域內，由電壓初始值開始，運用定步長擾動觀測法，進行反向搜索；如果一個波峰內有兩個以上的初始值，選其中功率最大的點作為初始值；最後，將不同區域內搜索得到的局部最大值進行比較，確定全局最大值所在的波峰範圍，而後進入確定區域進行精確搜索；第四步，定域尋優在確定的區域進行搜索時，使用第三步的搜索結果作為初始點沿著功率變大的方向進行搜索；採用變步長擾動觀測法得到功率點的全局最大值。
2.根據權利要求1所述的光伏發電系統多峰值最大功率點跟蹤的谷值定界搜索方法，其特徵在於第一步中電壓初始值取谷值個數的兩倍，搜索步長選為每段搜索區域的 1/30-1/20。
3.根據權利要求1所述的光伏發電系統多峰值最大功率點跟蹤的谷值定界搜索方法， 其特徵在於第三步中搜索步長為第一步搜索谷值中搜索步長的1/2。
4.根據權利要求1所述的光伏發電系統多峰值最大功率點跟蹤的谷值定界搜索方法， 其特徵在於第四步中搜索步長為第三步多域比較中搜索步長的1/5。
全文摘要
本發明公布了一種光伏發電系統多峰值最大功率點跟蹤的谷值定界搜索方法。該方法為避免在搜索中陷入局部最大值，採用谷值定界的方法，搜索到谷值後對區域進行劃分；為保證得到全局最大值，對劃分後的區域進行分區域搜索，而後確定最大功率點所在區域；最後，在確定的區域內，通過變步長搜索方法，找到全區最大功率點作為系統的工作點。通過以上的算法設計，可以增強實際光伏系統應對複雜環境變化的能力，彌補單峰值搜索方法的不足，達到更好的最大功率跟蹤效果。
文檔編號G06F19/00GK102495945SQ20111035656
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月11日 優先權日2011年11月11日
發明者周建良, 張一鳴, 王冰, 袁越 申請人:河海大學