一种具有不确定光伏系统的最大功率点模糊跟踪控制方法与流程

本发明属于电力系统自动化的技术领域，具体涉及一种具有不确定光伏系统的最大功率点模糊跟踪控制方法。

背景技术：

随着全球变暖的环境问题日益增加，传统的化石燃料能源逐渐减少，可再生能源(太阳能，风能和地热能等)作为替代能源正受到越来越多的关注。在可再生能源中，太阳能的光伏能源由于其直接电力形式，易维护，无噪音等优点而在许多应用中被广泛使用。因为对于光伏阵列的高安装成本而言，最大功率点跟踪控制(mppt)成为光伏系统的重要课题。传统的mppt控制方法包括扰动和观测法，增量电导法，模糊逻辑法，基于最大功率电压(mpv)的方法等。然而，光伏阵列产生的最大功率随着太阳辐射和电池温度而变化，因此大多数mppt方法缺乏严格的收敛分析且仅提供近似的最大功率，造成供电系统的波动状况。

目前，基于t-s模糊模型的控制在复杂非线性系统控制中较为普遍且取得了有效的控制效果。特别地，基于并行分布补偿(pdc)和线性矩阵不等式(lmi)等技术的模糊控制增益设计理论使得线性控制理论被广泛应用于非线性系统控制。但是，已有基于t-s模糊模型的控制理论方法尚未直接成功应用于实际光伏发电系统中，其中主要原因是实际光伏系统存在不确定性，系统模型具有时变特性导致光伏系统最大功率点也是时变的，亟需研究针对具有不确定光伏系统的最大功率点模糊跟踪控制方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足进而提供了一种具有不确定光伏系统的最大功率点模糊跟踪控制方法，通过提出一个基于积分模糊观测器的拓展型pdc来应对dc/dc转换器的偏置问题，并能够直接驱动系统达到最大功率点；所提出的模糊跟踪控制方法控制器和观测器因为具有更复杂的构造形式而能够融合更多的系统信息，且其增益能够使用所开发的放松型lmi设计方法得到保守性显著降低的控制设计可行解，有利于模糊跟踪控制方案的在线实施；本发明所面向的光伏发电系统可以由任何类型的具有参数不确定性，能够解决先前最大功率点跟踪方法缺乏严格的收敛分析且仅提供近似的最大功率的技术问题。

一种具有不确定光伏系统的最大功率点模糊跟踪控制方法，包括如下步骤：

步骤一，建立太阳能光伏阵列系统的动态模型；

步骤二，依据光伏阵列的模型构建其对应的t-s模糊模型；

步骤三，设计基于积分模糊观测器的拓展型pdc控制律；

步骤四，求解拓展型pdc控制律所涉及的控制器和观测器的增益；拓展型pdc控制律所涉及的控制器和观测器的增益可通过求解lmi问题来获得；

步骤五，将求解得到的控制器和观测器的增益赋值给控制回路，实现具有不确定光伏系统的最大功率点的模糊跟踪控制。

进一步地，所述步骤一中，建立太阳能光伏阵列系统的动态模型的具体步骤为：

依据太阳能光伏电路列出其电流表达式，如下：

其中，vpv和ipv表示光伏阵列的输出电压和输出电流，np和ns表示并联和串联单元的数量，γ＝q/(nsφkt)并且电荷q＝1.6×10^-19c，玻尔兹曼常数k＝1.3805×10^-23j/k，t表示电池的温度，φ＝1-5，iph表示光生电流，irs表示反向饱和电流，依据工程实际情况，模型可以忽略内部的分流和串联电阻现象；

此外，在上述公式中iph，irs的表达式分别为：

iph＝(isc+ki(t-tr))λ/100

其中，irr表示温度为tr时的反向饱和电流，egp＝1.1ev表示组成电池半导体的带隙能量，isc表示参考日照和温度的短路电流；ki表示短路电流的温度系数，λ表示日射量，单位为(w/cm²)；

综上，可知光伏系统的光伏功率表达式为：

依据物理定律，求解最大的光伏阵列功率点时需要对光伏阵列的功率求导使其等于零，即dppv/dvpv＝0，且有：

由于系统存在非线性使得最大功率点难以从dppv/dvpv＝0求解中解析获得，引入了t-s模糊模型表述光伏功率控制系统的动态模型。

进一步地，所述步骤二的具体过程为：

通过将变频器脉宽调制(pwm)驱动信号的占功比作为控制输入，则光伏功率控制系统的动态模型可以表示为：

其中，状态向量x＝[vpvξ^t]^t∈rⁿ是由光伏电压vpv和内部状态向量ξ组成，u∈r表示控制输入，f(x)和g(x)表示相应光伏系统的非线性函数；根据太阳能光伏阵列的电路图，得出其动态模型；

同时采用两个控制子架构配置来进行最大功率点的在线控制，两种配置为：

(1)mpv控制：y(t)＝vpv(t)；

(2)dmp控制：

上述的两种控制子架构配置虽然是两种不同的表现形式，但可以用统一的一个t-s模糊模型表示；依据上述表达式模糊建模方法，矩阵必须用t-s模糊规则来精确表示；

通过观察a(x)，b(x)，c(x)函数，进行如下操作：z1＝ga,z2＝ib,z3＝vpv,z4＝il和其表示为前件变量；

另外，

通过if-then模糊规则将前述的光伏功率控制系统动态模型转换为：

h(t)＝hx(t)

其中，u(t)表示输入变量，y(t)表示输出变量，h(t)表示可测量的输出变量，z1(t)到zg(t)表示模糊前件变量，ai,bi,ci,b0和h表示适当的矩阵，z(t)＝[z1(t),z2(t)...zg(t)]，

进一步地，所述根据太阳能光伏阵列的电路图，得出其动态模型，其具体过程为：

其中，vpv为光伏阵列的电压(也是电容cpv的电压)；il为电感电流；v0为电容c0的电压；rl，r0和rm是电容c0的电阻；vd是二极管功率的正向电压；i0是可测的负载电流；h(t)是由vpv和il组成的可测量输出(v0由于内部电容的电阻而不可直接测量)；

对上式进行改写，其表达式可为：

上式中，ga＝ipv/vpv,ib＝1-i0/il和bs＝-vd/l。

进一步地，所述步骤三的具体过程为：

对于一般的pv功率控制而言，对步骤二中的光伏功率控制系统动态模型公式引入了不确定的形式，新的表达式如下：

y(t)＝(ci+δci(t))x(t)

h(t)＝hx(t),i＝1,2,...,r

其中，ω(t)表示扰动变量，ai，bi，ci，b0和j都是已知的系统矩阵；

δai，δbi，δci为未知的时变参数；

[δaiδbiδci]＝uiφi[eaiebieci]，其中eai，ebi，eci和ui为已知的矩阵，φi(t)未知但满足φi^t(t)φi(t)≤i；

为了实现最大功率电压(mpv)和最大功率(dmp)控制方案的统一形式，把输出控制y(t)改写成输出yd，其表达式如下：

其中，vref是最大功率点处的pv电压，yd＝0表示其功率的斜率为0的情况；

所设计的基于积分模糊观测器的拓展型pdc控制律包含观测器和控制器两个组成部分，其中观测器用来在线估计不能测量的系统状态变量，控制器用来在线计算控制输出量；

对于第i条模糊规则，其对应观测器的设计规则为：

其中，li为观测器的增益；

全局观测器的设计规则可写为：

于是，定义则观测器的动态误差表达式为：

对于第i条模糊规则，其对应控制器的设计规则：

其中，s(t)∈r表示积分状态变量，k1i和k2i表示控制器的增益。即全局控制器的设计规则可写为：

将观测器的动态误差表达式，和改写后的全局观测器的设计规则应用到本步骤前述的引入了不确定的形式的新的光伏功率控制系统的动态模型中，得出控制系统的闭环表达式如下：

其中：

kj＝[k1jk2j]

进一步地，所述通过求解lmi问题来获得拓展型pdc控制律所涉及的控制器和观测器的增益，其具体步骤为；

步骤4-1：给定σ1,σ2＞0，寻求矩阵xa,pa,θ,mi,ni满足下面lmis：

xa,pa,θ＞0

其中，观测增益可由获得；

步骤4-2：基于步骤:4-1所获得的li和θ，通过下式求解lmis，可获取矩阵x1，wx1、p2、w2；

x1,wx1,p2,w2＞0

其中

可以得到

步骤4-3，基于上述步骤所获得的x1、wx1、p2、w2,拓展型pdc控制器的前部控制增益k1i可以由上式求解lmis中的扩展项直接获得，后部控制增益k2i可以由k2i＝k1i+δhi(wx1+x1w2)得到，这里δhi表示不确定性光伏系统第i组模糊隶属度在当前采样时刻与上一采样时刻的实时差值。

进一步地，所述步骤五，具体的，通过步骤四的表达式，用lmi进行求解观测器的增益li和控制器的增益ki代入步骤三中的，观测器的动态误差表达式，和改写后的全局观测器的设计规则，求得在线控制量并将其赋值给控制回路，实现具有不确定光伏系统的最大功率点的模糊跟踪控制，确保不确定光伏系统能够始终输出最大功率。

本发明采用上述的技术方案，具有以下优点：通过提出一个基于积分模糊观测器的拓展型pdc来应对dc/dc转换器的偏置问题，并能够直接驱动系统达到最大功率点；需要指出的是，所提出的模糊跟踪控制方法控制器和观测器因为具有更复杂的构造形式而能够融合更多的系统信息，且其增益能够使用所开发的放松型lmi设计方法得到保守性显著降低的控制设计可行解，有利于模糊跟踪控制方案的在线实施。需要指出的是，本发明所面向的光伏发电系统可以由任何类型的具有参数不确定性，能够解决先前最大功率点跟踪方法缺乏严格的收敛分析且仅提供近似的最大功率的技术问题。

附图说明

图1表示本发明实施例基于最大功率电压(mpv)模糊控制的配置。

图2表示本发明实施例基于最大功率(dmp)模糊控制的配置。

图3表示本发明实施例采用直流/直流降压转换器的光伏电源控制系统。

图4表示本发明实施例的一种具有不确定光伏系统的最大功率点模糊跟踪控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

一种具有不确定光伏系统的最大功率点模糊跟踪控制方法，包括如下步骤：

步骤一，建立太阳能光伏阵列系统的动态模型。

建立太阳能光伏阵列系统的动态模型的具体步骤为：

依据太阳能光伏电路列出其电流表达式，如下：

其中，vpv和ipv表示光伏阵列的输出电压和输出电流，np和ns表示并联和串联单元的数量，γ＝q/(nsφkt)并且电荷q＝1.6×10^-19c，玻尔兹曼常数k＝1.3805×10^-23j/k，t表示电池的温度，φ＝1-5，iph表示光生电流，irs表示反向饱和电流，依据工程实际情况，模型可以忽略内部的分流和串联电阻现象。

此外，在上述公式中iph，irs的表达式分别为：

iph＝(isc+ki(t-tr))λ/100

其中，irr表示温度为tr时的反向饱和电流，egp＝1.1ev表示组成电池半导体的带隙能量，isc表示参考日照和温度的短路电流；ki表示短路电流的温度系数，λ表示日射量，单位为(w/cm²)。

综上，可知光伏系统的光伏功率表达式为：

依据物理定律，求解最大的光伏阵列功率点时需要对光伏阵列的功率求导使其等于零，即dppv/dvpv＝0，且有：

由于系统存在非线性使得最大功率点难以从dppv/dvpv＝0求解中解析获得，引入了t-s模糊模型表述光伏功率控制系统的动态模型。

步骤二，依据光伏阵列的模型构建其对应的t-s模糊模型。

通过将变频器脉宽调制(pwm)驱动信号的占功比作为控制输入，则光伏功率控制系统的动态模型可以表示为：

其中，状态向量x＝[vpvξ^t]^t∈rⁿ是由光伏电压vpv和内部状态向量ξ组成，u∈r表示控制输入，f(x)和g(x)表示相应光伏系统的非线性函数；根据太阳能光伏阵列的电路图，得出其动态模型。

所述根据太阳能光伏阵列的电路图，得出其动态模型，其具体过程为：

其中，vpv为光伏阵列的电压(也是电容cpv的电压)；il为电感电流；v0为电容c0的电压；rl，r0和rm是电容c0的电阻；vd是二极管功率的正向电压；i0是可测的负载电流；h(t)是由vpv和il组成的可测量输出(v0由于内部电容的电阻而不可直接测量)。

对上式进行改写，其表达式可为：

上式中，ga＝ipv/vpv,ib＝1-i0/il和bs＝-vd/l。

同时采用两个控制子架构配置来进行最大功率点的在线控制，两种配置为：

(1)mpv控制：y(t)＝vpv(t)

(2)dmp控制：

上述的两种控制子架构配置虽然是两种不同的表现形式，但可以用统一的一个t-s模糊模型表示；依据上述表达式模糊建模方法，矩阵必须用t-s模糊规则来精确表示。

通过观察a(x)，b(x)，c(x)函数，进行如下操作：z1＝ga,z2＝ib,z3＝vpv,z4＝il和其表示为前件变量。

另外，

通过if-then模糊规则将前述的光伏功率控制系统动态模型转换为：

h(t)＝hx(t)

其中，u(t)表示输入变量，y(t)表示输出变量，h(t)表示可测量的输出变量，z1(t)到zg(t)表示模糊前件变量，ai,bi,ci,b0和h表示适当的矩阵，z(t)＝[z1(t),z2(t)...zg(t)]，

步骤三，设计基于积分模糊观测器的拓展型pdc控制律；

对于一般的pv功率控制而言，对步骤二中的光伏功率控制系统动态模型公式引入了不确定的形式，新的表达式如下：

y(t)＝(ci+δci(t))x(t)

h(t)＝hx(t),i＝1,2,...,r

其中，ω(t)表示扰动变量，ai，bi，ci，b0和j都是已知的系统矩阵，δai，δbi，δci为未知的时变参数。

[δaiδbiδci]＝uiφi[eaiebieci]，其中eai，ebi，eci和ui为已知的矩阵，φi(t)未知但满足φi^t(t)φi(t)≤i。

为了实现最大功率电压(mpv)和最大功率(dmp)控制方案的统一形式，把输出控制y(t)改写成输出yd，其表达式如下：

其中，vref是最大功率点处的pv电压，yd＝0表示其功率的斜率为0的情况。

所设计的基于积分模糊观测器的拓展型pdc控制律包含观测器和控制器两个组成部分，其中观测器用来在线估计不能测量的系统状态变量，控制器用来在线计算控制输出量。

对于第i条模糊规则，其对应观测器的设计规则为：

其中，li为观测器的增益。

全局观测器的设计规则可写为：

于是，定义则观测器的动态误差表达式为：

对于第i条模糊规则，其对应控制器的设计规则：

其中，s(t)∈r表示积分状态变量，k1i和k2i表示控制器的增益。即全局控制器的设计规则可写为：

将观测器的动态误差表达式，和改写后的全局观测器的设计规则应用到本步骤前述的引入了不确定的形式的新的光伏功率控制系统的动态模型中，得出控制系统的闭环表达式如下：

其中：

kj＝[k1jk2j]

步骤四，求解拓展型pdc控制律所涉及的控制器和观测器的增益；拓展型pdc控制律所涉及的控制器和观测器的增益可通过求解lmi问题来获得。

所述通过求解lmi问题来获得拓展型pdc控制律所涉及的控制器和观测器的增益，其具体步骤为；

步骤4-1：给定σ1,σ2＞0，寻求矩阵xa,pa,θ,mi,ni满足下面lmis：

xa,pa,θ＞0

其中，观测增益可由获得。

步骤4-2：基于步骤:4-1所获得的li和θ，通过下式求解lmis，可获取矩阵x1，wx1、p2、w2。

x1,wx1,p2,w2＞0

其中

可以得到

步骤4-3，基于上述步骤所获得的x1、wx1、p2、w2,拓展型pdc控制器的前部控制增益k1i可以由上式求解lmis中的扩展项直接获得，后部控制增益k2i可以由k2i＝k1i+δhi(wx1+x1w2)得到，这里δhi表示不确定性光伏系统第i组模糊隶属度在当前采样时刻与上一采样时刻的实时差值。

步骤五，将求解得到的控制器和观测器的增益赋值给控制回路，实现具有不确定光伏系统的最大功率点的模糊跟踪控制。

具体的，通过步骤四的表达式，用lmi进行求解观测器的增益li和控制器的增益ki代入步骤三中的，观测器的动态误差表达式，和改写后的全局观测器的设计规则，求得在线控制量并将其赋值给控制回路，实现具有不确定光伏系统的最大功率点的模糊跟踪控制，确保不确定光伏系统能够始终输出最大功率。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。