一种基于有限时间模糊滑膜控制的光伏系统最大功率追踪方法与流程

本发明涉及大新能源发电系统领域，特别是一种基于有限时间模糊滑膜控制的光伏系统最大功率追踪方法。

背景技术：

随着环境污染的加剧，人们开始加大新能源发电系统的建设。最为清洁能源的典型代表太阳能光伏发电系统具有投资成本高，因此保证其最大发电功率显得非常重要。传统的太阳能光伏发电最大功率追踪控制无法保证快速的跟踪效果且大多数所提出的控制理论缺乏严格的定量分析。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于有限时间模糊滑膜控制的光伏系统最大功率追踪方法，可以有效解决上述问题。

本发明采用以下方案实现：一种基于有限时间模糊滑膜控制的光伏系统最大功率追踪方法，包括以下步骤：

步骤s1：搭建太阳能光伏发电实验系统；其中，所述太阳能光伏发电实验系统包括光伏发电板、最大功率参考电压计算装置、有限时间最大功率追踪模糊滑膜控制器、dc/dc变流器以及负载；

步骤s2：根据物理学原理，建立具有最大功率追踪问题的太阳能光伏发电系统数学模型，并表达为奇异系统模型；

步骤s3：基于所述数学模型，设计有限时间模糊滑膜控制器；

步骤s4：求出闭环控制系统到达滑膜面的时间t^*；

步骤s5：求出闭环控制系统在时间t^*时刻的最大功率参考电压误差值。

进一步地，步骤s2中，建立具有最大功率追踪问题的太阳能光伏发电系统数学模型如公式(1)所示：

式中，l和c0是变换器内部的电感与电容；u表示占空比取值u∈[0,1]，和vpv分别是太阳能光伏的输出电流与输出电压；是负载电流；是最大功率追踪的参考电压误差；np和ns分别是并行发电单元与串级发电单元的数量；其中电子储能q＝1.6×10^-19c，是结构性的特征参数取值在u∈[1,5]，玻尔兹曼常数k＝1.3805×10^-23j/^ok，t是太阳能光伏温度；irs是逆饱和电流；表示最大功率追踪的参考电压。

进一步地，步骤s2中，表达为奇异系统模型具体包括以下步骤：

步骤s21：定义z5＝vdc，其中，vdc表示输出负载电压，vpv表示太阳能光伏的输出电压，并选择z1-z6作为模糊前件变量后，考虑输出电压vdc存在外部的干扰ω(t)，并且假定这种干扰是有界的，满足δ表示扰动的上界；

步骤s22：将所述具有最大功率追踪问题的太阳能光伏发电非线性系统通过以下的奇异t-s模糊模型来近似表达：

式中，z(t)＝[z1,z2,…,z6]，al和bl是最大功率追踪问题的太阳能光伏发电系统数学模型在z1-z6进行线性化得到的系统矩阵，g表示模糊集数量，r表示模糊规则数量。

进一步地，步骤s3中，所述有限时间模糊滑膜控制器具有以下形式：

u(t)＝ub(t)+uc(t)(4)

式中，kl是模糊控制器增益，{l，p}代表模糊集，有t是预先给定的有限时间周期，αmin(*)代表矩阵*的最小的秩，||*||代表矩阵*的范数，sgn(*)是切换的符号函数，具体的定义如下：

其中，s(t)是积分滑膜面函数，定义如下：

其中，g是一个给定的矩阵使得gbl是正定的矩阵。

进一步地，步骤s4具体为首先定义如下函数：

对上述函数求导后得到：

基于上式得到如下的有限时间t^*：

式中，μp表示控制器模糊隶属度函数，bp表示控制输入矩阵。

进一步地，步骤s5具体包括以下步骤：

步骤s51：将有限时间模糊滑膜控制器的表达式带入具有最大功率追踪问题的太阳能光伏发电非线性系统的奇异t-s模糊模型中，得到：

式中，kp表示模糊控制器增益。

步骤s52：建立如下的函数：

式中，p1∈r^2×2是对称正定矩阵，矩阵p2∈r^1×2，p3是一个标量，以上的定义能够保证e^tp＝p^te≥0。

步骤s53：建立以下辅助函数：

式中，x(t)＝[x^t(t)ω^t(t)ρ(t)sgn(s(t))]^t；

sym(*)＝(*)^t+(*)，(*)是一个矩阵；表示对角矩阵的转置，τ表示一个大于零的标量；

步骤s54：令wll<0,1≤l≤r；wlp+wpl<0，1≤l<p≤r，那么会使得j(t)<0，那就是：

其中，wll和wpl是增广的矩阵，被定义在公式(12)的下方。

对以上的不等式左乘和右乘e^-τt,并且从0到t∈[0,t^*]进行积分，得到：

式中，

步骤s55：由式(11)得到：

由(14)和(15)得到：

步骤s56：切分状态变量x(t)为：

其中

步骤s57：根据公式(11)、(16)以及(17)得到：

进一步定义如下：

式中，r1表示给定的对称正定矩阵，c1表示系统的零初始界限；

根据(18)和(19)得到：

步骤s58：计算状态变量的有界限如下：

基于公式(10)得到：

其中，

因此最大功率追踪参考电压误差∈pv可以计算如式(20)：

基于公式(20)、公式(21)与公式(22)得到：

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明提供的基于有限时间模糊滑膜控制的光伏系统最大功率追踪方法既能保证光伏系统快速跟踪参考电压，实现最大功率发电，而且能给出最大功率发电的参考电压误差的定量分析结果。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程示意图。

图2为本发明实施例的太阳能光伏发电实验系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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。

如图1以及图2所示，本实施例提供了一种基于有限时间模糊滑膜控制的光伏系统最大功率追踪方法，包括以下步骤：

步骤s1：搭建太阳能光伏发电实验系统100；其中，所述太阳能光伏发电实验系统100包括光伏发电板10、最大功率参考电压计算装置11、有限时间最大功率追踪模糊滑膜控制器12、dc/dc变流器13以及负载14；

步骤s2：根据物理学原理，建立具有最大功率追踪问题的太阳能光伏发电系统数学模型，并表达为奇异系统模型；

步骤s3：基于所述数学模型，设计有限时间模糊滑膜控制器；

步骤s4：求出闭环控制系统到达滑膜面的时间t^*；

步骤s5：求出闭环控制系统在时间t^*时刻的最大功率参考电压误差值。

在本实施例中，步骤s2中，建立具有最大功率追踪问题的太阳能光伏发电系统数学模型如公式(1)所示：

式中，l和c0是变换器内部的电感与电容；u表示占空比取值u∈[0,1]，和vpv分别是太阳能光伏的输出电流与输出电压；是负载电流；是最大功率追踪的参考电压误差；np和ns分别是并行发电单元与串级发电单元的数量；其中电子储能q＝1.6×10^-19c，是结构性的特征参数取值在u∈[1,5]，玻尔兹曼常数k＝1.3805×10^-23j/^ok，t是太阳能光伏温度；irs是逆饱和电流；表示最大功率追踪的参考电压。

在本实施例中，步骤s2中，表达为奇异系统模型具体包括以下步骤：

步骤s21：定义z5＝vdc，其中，vdc表示输出负载电压，vpv表示太阳能光伏的输出电压，并选择z1-z6作为模糊前件变量后，考虑输出电压vdc存在外部的干扰ω(t)，并且假定这种干扰是有界的，满足δ表示扰动的上界；

步骤s22：将所述具有最大功率追踪问题的太阳能光伏发电非线性系统通过以下的奇异t-s模糊模型来近似表达：

式中，z(t)＝[z1,z2,…,z6]，al和bl是最大功率追踪问题的太阳能光伏发电系统数学模型在z1-z6进行线性化得到的系统矩阵，g表示模糊集数量，r表示模糊规则数量。

在本实施例中，步骤s3中，所述有限时间模糊滑膜控制器具有以下形式：

u(t)＝ub(t)+uc(t)(4)

式中，kl是模糊控制器增益，{l,p}代表模糊集，有t是预先给定的有限时间周期，αmin(*)代表矩阵*的最小的秩，||*||代表矩阵*的范数，sgn(*)是切换的符号函数，具体的定义如下：

其中，s(t)是积分滑膜面函数，定义如下：

其中，g是一个给定的矩阵使得gbl是正定的矩阵。

在本实施例中，步骤s4具体为首先定义如下函数：

对上述函数求导后得到：

基于上式得到如下的有限时间t^*：

式中，μp表示控制器模糊隶属度函数，bp表示控制输入矩阵。

在本实施例中，步骤s5具体包括以下步骤：

步骤s51：将有限时间模糊滑膜控制器的表达式带入具有最大功率追踪问题的太阳能光伏发电非线性系统的奇异t-s模糊模型中，得到：

式中，kp表示模糊控制器增益。

步骤s52：建立如下的函数：

式中，p1∈r^2×2是对称正定矩阵，矩阵p2∈r^1×2，p3是一个标量，以上的定义能够保证e^tp＝p^te≥0。

步骤s53：建立以下辅助函数：

式中，x(t)＝[x^t(t)ω^t(t)ρ(t)sgn(s(t))]^t；

sym(*)＝(*)^t+(*)，(*)是一个矩阵；表示对角矩阵的转置，τ表示一个大于零的标量；

步骤s54：令wll<0,1≤l≤r；wlp+wpl<0,1≤l<p≤r,那么会使得j(t)<0,那就是：

其中，wll和wpl是增广的矩阵，被定义在公式(12)的下方，

对以上的不等式左乘和右乘e^-τt，并且从0到t∈[0，t^*]进行积分，得到：

式中，

步骤s55：由式(11)得到：

由(14)和(15)得到：

步骤s56：切分状态变量x(t)为：

其中

步骤s57：根据公式(11)、(16)以及(17)得到：

进一步定义如下：

式中，r1表示给定的对称正定矩阵，c1表示系统的零初始界限；

根据(18)和(19)得到：

步骤s58：计算状态变量的有界限如下：

基于公式(10)得到：

其中，

因此最大功率追踪参考电压误差∈pv可以计算如式(20)：

基于公式(20)、公式(21)与公式(22)得到：

本实施例既能保证光伏系统快速跟踪参考电压，实现最大功率发电，而且能给出最大功率发电的参考电压误差的定量分析结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。