一种基于函数模型的光伏发电系统最大功率点跟踪方法
【专利摘要】本发明公开一种基于函数模型的光伏发电系统最大功率点跟踪方法，该方法主要解决在光伏发电系统中的最大功率点跟踪问题。本发明以Boost电路为光伏发电系统主电路，首先检测光伏发电系统的输出电压和电流，然后根据误差和误差变化率来确定占空比扰动步长函数，进而确定下一时刻的扰动步长值，扰动步长函数由二维高斯函数和反正切函数构成。算法每运行一次后延时T ms，直到确定最大功率点处的占空比值。该方法引入了二维高斯函数和反正切函数，确定了一种较为通用的占空比扰动方法，能够更加精确地进行最大功率点跟踪，也为其他基于扰动模型的最大功率点跟踪方法提供了一种计算参考方法。
【专利说明】
一种基于函数模型的光伏发电系统最大功率点跟踪方法
技术领域
[0001] 本发明是将数学领域中常见的反正切函数和二维高斯函数运用到光伏发电系统 最大功率点跟踪技术中，解决光伏发电系统最大功率点跟踪的问题，属于光伏发电技术领 域。
【背景技术】
[0002] 随着世界各国经济的飞速发展，能源问题成为制约经济可持续发展的主要因素之 一。太阳能作为一种新的绿色能源受到广泛的关注，为了最大限度的利用太阳能，太阳能光 伏发电技术应运而生，其中最重要的一种技术就是最大功率点跟踪技术。根据算法类型的 不同，主流的技术分为传统算法和生物智能算法。
[0003] 其中，传统算法主要有扰动观察法和爬山法等，其本质是利用扰动不断搜索当前 时刻最大功率点，但是传统算法存在扰动方向误判从而导致跟踪效率低的问题。生物智能 算法包括粒子群算法、狼群算法等，该类算法模拟自然界生物的生活习性进行光伏发电系 统最大功率点全局寻优，找到当前时刻的最大功率。生物智能算法往往计算量复杂，需要比 较快速的处理器对算法进行处理，不利于工业应用推广。虽然智能算法是目前较为新兴的 算法，但是工业应用上还是主要应用传统算法进行最大功率点跟踪。
[0004] 因此，现有技术中亟需一种高速有效，且对其他传统算法有参考意义的最大功率 点跟踪方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是:为了解决传统最大功率点跟踪算法中在外界环境变化时导致误 判的问题，而提出一种基于函数模型的光伏发电系统最大功率点跟踪方法，并确定了一种 较为通用的扰动方法。
[0006] 本发明所采用的技术方案是:一种基于函数模型的光伏发电系统最大功率点跟踪 方法，其特征在于:光伏发电系统以Boost电路为主电路，根据光伏发电功率与占空比以及 功率与电压的关系，g卩P-D、P_U关系曲线，在曲线斜率为0,即dP/dD = 0、dP/dU = 0时，此时达 到最大功率点处;所述跟踪方法首先检测光伏阵列的输出电压和电流，然后根据误差和误 差变化率来确定占空比扰动步长函数，进而确定下一时刻的占空比扰动步长值，占空比扰 动步长函数由二维高斯函数和反正切函数构成;方法每运行一次后延时Tms，直到确定最大 功率点处的占空比值;所述的基于函数模型的光伏发电系统最大功率点跟踪方法包含如下 步骤： 步骤1:检测k时刻的电压U(k)、电流I (k)，根据P(k)=U(k)I (k)计算当前时刻功率值； 步骤2:定义占空比扰动步长函数是关于误差E(k)和误差变化率△ E(k)的函数，即：
分别是k-l时刻的功率和电压值，误差 变化率ΔE(k)=E(k)-E(k-l)，E(k-1)为k-l时刻的误差，ΔDmax是占空比最大扰动步长，α、β、 γ是常数，a、b、c可由以下式子确定：
式中〇E、、k、Θ均为常数，根据试错法确定具体值； 根据k时刻的电压和电流值以及计算出的功率值可以得出此时的误差和误差变化率； 步骤3:由公式（1)确定k时刻占空比扰动步长Δ D之后，可得出k+Ι时刻的占空比D(k+1)， 即： D(k+i) = D(k)土 A D (2) 其中D(k)是第k时刻的占空比值； 步骤4:根据公式(1)确定的占空比扰动步长，计算扰动周期T，设定扰动周期T是关于占 空比扰动步长绝对值I AD|的线性函数，T = f( | AD| )=mX | AD|+n，其中m和η都是常数，由 线性拟合的方法确定具体值； 步骤5:根据功率和占空比以及功率和电压的关系确定最大功率点处的占空比，从而跟 踪到最大功率。
[0007] 本发明的有益效果是:本发明的基于函数模型的光伏发电系统最大功率点跟踪方 法，引入常见的二维高斯函数和反正切函数来确定占空比扰动步长，以一种较为简单的参 数可调的普通数学公式解决了传统算法在扰动步长固定时跟踪速度慢的问题，并且经过多 次仿真实验证明了本发明的可用性和有效性，能够更加快速有效地进行最大功率点跟踪。
【附图说明】
[0008] 图1是占空比扰动步长函数图像。
[0009] 图2是本发明的基于函数模型的光伏发电系统最大功率点跟踪方法框架流程图。
【具体实施方式】
[0010] 为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的 内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些 等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。
[0011] 本发明提出了一种基于函数模型的光伏发电系统最大功率点跟踪方法，方法主要 引入了数学中常见的二维高斯函数和反正切函数来确定占空比扰动步长函数。扰动步长函 数图形如图1所示，在该函数中，选择高斯函数是因为高斯函数可以影响扰动步长的幅值， 当外界环境发生剧烈变化时，Ε和ΔΕ的值都变大，此时高斯函数可以用来避免占空比的过 度变化;选择反正切函数是因为反正切函数可以增加或者减小扰动步长的变化，因此可以 提高MPPT的动态响应速度，另外也能够限制在MPP附近的振荡从而来改善系统的稳态性能。 基于函数模型的光伏发电系统最大功率点跟踪方法框架如图2所示。
[0012] 本发明主要是利用二维高斯函数以及反正切函数来确定占空比扰动步长函数，利 用两个函数的性质以提高最大功率点跟踪的速度和精度，具体实现步骤细化如下： 步骤1:检测光伏阵列输出 光伏发电系统采用Boost电路作为系统主电路，检测光伏阵列k时刻的电压U(k)、电流 I (k)，根据P(k) =U(k) I (k)计算k时刻功率值。
[0013] 步骤2:确定扰动方向 比较k时刻功率值P〇〇和k-Ι时刻功率值Ρα-υ以及k时刻电压值U(k)和k-Ι时刻电压值 U(k-i)，在实际应用中，
，因此根据功 率与电压的关系，
时即此时误差E(k) = 0达到最大功率点，具体判断方式如下： (1) E(k) = 0,达到最大功率点； (2) E(k)>0，D(k+i) = D(k)_ A D; (3) E(k)〈0，D(k+i) = D(k)+A D。
[0014] 步骤3:确定占空比扰动步长函数 占空比扰动步长函数主要由两个常见的数学函数组成，一个是二维高斯函数，另外一 个是反正切函数，占空比扰动步长函数设定如下： 占空比扰动步长函数是关于误差E(k)和误差变化率ΔΕ(1〇的函数，其中：误差
，Ρ〇〇和U〇〇是k时刻的功率和电压值，误差变化率AE(k)=E(k)-E(k- lhEH)是k-1时刻的误差，因此占空比扰动步长函数确定为：
式中么〇^\是占空比最大扰动步长，取么〇^\ = 〇.〇5，€1、0、丫是常数，分别为〇、〇和5，&、 b、c可由以下式子确定：
式中σΕ、、k、Θ根据试错法确定具体值，其中σΕ = 40，
[0015 ]步骤4:确定延时时间Τ (扰动周期） 当光伏发电系统得到一个扰动之后，需要一定的时间才能达到下一个运行状态，因此 需要设置一个延时，设定延时函数是关于关于占空比扰动步长绝对值I AD|的线性函数， 即： T = f (| A D | ) =mX I Δ D I +n 其中111和11都是常数，由线性拟合的方法确定m=l .364，n = 4.975。
[0016]步骤5:输出最大功率点处的占空比
，即此时误差E(k) = 0时，此时即达到最大功率点。
[0017]最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护 范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换， 均不脱离本发明技术方案的实质和范围。
【主权项】
1. 一种基于函数模型的光伏发电系统最大功率点跟踪方法，其特征在于:光伏发电系 统WBoost电路为主电路，根据光伏发电功率与占空比W及功率与电压的关系，即P-D、p-U 关系曲线，在曲线斜率为0，即dP/邮=0、dP/dU = 0时，此时达到最大功率点处;所述跟踪方 法首先检测光伏阵列的输出电压和电流，然后根据误差和误差变化率来确定占空比扰动步 长函数，进而确定下一时刻的占空比扰动步长值，占空比扰动步长函数由二维高斯函数和 反正切函数构成;方法每运行一次后延时Tms，直到确定最大功率点处的占空比值;所述的 基于函数模型的光伏发电系统最大功率点跟踪方法包含如下步骤： 步骤1:检巧化时刻的电压U(k)、电流I (k)，根据P(k) = U(k)I (k)计算当前时刻功率值； 步骤2:定义占空比扰动步长函数是关于误差E(k)和误差变化率AE(k)的函数，即：良和电压值，误差 变化率ΔΕ化）=E化)-E化-l)，E(w)为k-1时刻的误差，ADmax是占空比最大扰动步长，α、β、 丫是常数，a、b、c可由W下式子确定：式中0E、心^、k、Θ均为常数，根据试错法确定具体值； 根据k时刻的电压和电流值W及计算出的功率值可W得出此时的误差和误差变化率； 步骤3:由公式（1)确定k时刻占空比扰动步长Δ0之后，可得出k+1时刻的占空比D(k+i)， 即： D(k+i) = D(k)±AD (2) 其中D (k)是第k时刻的占空比值； 步骤4:根据公式（1)确定的占空比扰动步长，计算扰动周期T，设定扰动周期T是关于占 空比扰动步长绝对值|ΔD|的线性函数，T = f(|ΛD|)=mX|ΛD|+n，其中m和n都是常数，由 线性拟合的方法确定具体值； 步骤5:根据功率和占空比W及功率和电压的关系确定最大功率点处的占空比，从而跟 踪到最大功率。
【文档编号】G05F1/67GK106094972SQ201610768407
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月30日
【发明人】张正文, 谭文龙, 包泽胜, 黄翔, 宋芳
【申请人】湖北工业大学