一种基于烟花算法的光伏发电系统最大功率点跟踪方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光伏发电系统领域，特别涉及一种基于烟花算法的最大功率点跟踪方 法。
【背景技术】
[0002] 太阳能作为现今自然界中最为理想的新能源之一，收到越来越普遍的重视。太阳 能与其他绿色可再生新能源相比有储量丰富、分布范围广泛、能源清洁的特性。太阳能光伏 发电在可再生能源和新能源中占有很大的比例，被全社会公认为当前世界最有发展潜力的 新能源技术。
[0003] 在一定的光照强度和环境温度下，光伏阵列的输出功率随着输出电压的变化而变 化，只有在某一输出电压值时，输出功率才能达到最大值。提高光伏发电系统的整体效率， 一个重要途径就是调整光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，即实现最大 功率点跟踪MPPT(Maximum Power Point Tracking)。在天气条件多变的情况下，光伏发电 系统的最大功率点实时跟踪成为了国内外学者研究的热点之一。
[0004] 目前，常用的MPPT方法包括：恒定电压法、扰动观察法、电导增量法、模糊控制和 神经网络等。其中恒定电压法所依据参数与外界环境相关，跟踪效果不理想。增量导纳法相 对复杂，对控制系统要求较高。神经网络法跟踪效果较好，但样本获取过程较难且不易达到 预期效果。模糊控制法能快速响应外部环境变化，但需以"专家经验"作为基础，而实际"专 家经验"并不完备，故存在局限性。在外界环境突然变化或者出现局部阴影时，这些算法易 使搜索陷入局部最优，搜索效率低。
[0005] 本发明的目的是针对现有跟踪方法存在的不足，提出一种基于烟花算法的光伏发 电系统最大功率点跟踪方法，它同时具有发现、跟踪、定位的功能，而且有效避免了搜索陷 入局部最优，准确迅速的定位到最大功率点的位置。
【发明内容】
[0006] 为了解决现有的最大功率点跟踪方法所依据参数与外界环境相关度高、跟踪效果 不好且易陷入局部最优状态的缺点，本发明提出了一种基于烟花算法的光伏发电系统最大 功率点跟踪方法。在不依靠外界环境变化的情况下，可以通过光伏阵列输出电压、电流和功 率信息来发现、跟踪最大功率点并避免其在搜索过程中陷入局部最优，最后准确定位到最 大功率点位置，提高了搜索效率。
[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 最大功率点的发现和跟踪： 基于烟花爆炸算法独特的搜索机制，在输出电压搜索区间中生成一定数目的烟花弹， 然后对每个烟花弹进行正负2个方向的爆炸操作，爆炸产生的大量火花在原烟花弹(炸点） 的一定邻域范围内执行局部搜索，并采用局部保优的策略逐代控制进行爆炸的烟花弹数。 每次爆炸都包括电压大小更新阶段和功率信息更新阶段。
[0008] 首先在电压搜索区间随机放置N个烟花弹，每个烟花弹爆炸会有一个爆炸半径r， 爆炸产生的火花会散落在这一半径范围内。如果烟花爆炸产生的火花超出了电压搜索区间 的范围，那么将火花随机映射到电压搜索区间内，从而对爆炸区间范围进行了限制。这样既 避免了无效的搜索，也给算法注入了一定的突变能力，可以改善算法的搜索效率。
[0009] 在算法的初期，需要对搜索空间进行充分的探索，而在后期，随着向最优值的逐步 收敛，只需在一个局部范围内进行探索。因此，我们设定每一代放置的烟花弹的个数N随 着迭代代数逐步的递减，其计算公式为：
(1)其中，ceil为取整函数;t表示当 前迭代代数;T表示算法的最大迭代代数;Nmax为初始烟花弹的个数，Nmin为算法末期烟花弹 的个数。
[0010] 每次爆炸后，以部分保优、部分随机挑选的选择策略选取N(t)个较优的火花做为 下次爆炸的烟花弹，随着迭代次数的增加，最后烟花弹的炸点及其产生的火花会集中在问 题的最优解位置附近。采用这种策略是为了既保留优秀烟花弹和火花的信息，又在一定程 度上保证烟花弹和火花的多样性，减小算法早熟的概率。
[0011] 在光伏发电系统工作时，由于一部分搜索区间输出功率很小，因此在迭代初期，r 取值较大，有利于算法进行全局探索，在迭代后期，r取值较小，有利于算法的局部搜索。但 是，我们可以注意到，由于每一代烟花弹爆炸产生的火花数量较多，覆盖面比较广，因此，在 算法初期r的递减速度可以加快，以利于烟花弹更快的集中到全局最优点附近。而在算法的 末期，为了进一步提高算法的精度，r的递减速度应较慢，使得算法在最优点附近能进行充 分的局部搜索。所以将r设置成一个随着算法的迭代代数的增加而呈非线性递减的参数，其 计算公式为：
(2) 其中，t表示当前迭代代数;T表示算法的最大迭代代数;rmax为迭代初期烟花弹爆炸的 最大半径，rmin为迭代末期的最大半径。
[0012] 在搜索过程中如果出现多峰情况，即有几个局部功率最大值点，采用部分保优、部 分随机挑选的选择策略可以有效的避免进入局部最优状态。
[0013 ]最大功率点定位： 重复烟花爆炸的过程，当算法实际运行的迭代次数大于设定的参数T时，算法终止，确 认烟花最后的位置即为最大功率点。
【附图说明】
[0014] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0015] 图1是光伏阵列输出特性曲线。其中I为电流，V为电压，P为功率，可以看出存在一 个输出电压，使输出功率P为最大值，图中MPP即为最大功率点。
[0016] 图2是局部阴影下的输出特性曲线。其中I为电流，V为电压，P为功率。如果在一个 光伏阵列中出现了多个不同程度的阴影，那么光伏阵列的输出功率曲线就会出现多峰的情 况，局部阴影状态下，光伏阵列的输出特性曲线和子阵列的输出特性曲线分别如曲线1、曲 线2、曲线3所示。
[0017] 图3是光伏发电系统主电路拓扑图。其中MPPT控制器采用烟花算法，给定一个电压 烟花弹或者火花后，调节Dref的大小，和三角载波比较之后就调节了占空比，使得电池输出 电压等于给定值。通过采样电池电压和电流，计算出当前输出功率并存储，最后比较各个电 压烟花弹或火花处的功率大小，选出较优的烟花弹或火花。
[0018] 图4是本发明方法的流程图。
【具体实施方式】
[0019] 1.初始化。
[0020] 1.1设置算法参数T、N(t)、r(t)其中T为算法的迭代代数，N(t)为烟花弹数，满足 公式(l)，r(t)为烟花弹的爆炸半径，满足公式(2)。
[0021] 1.2在1维电压搜索空间范围内随机初始化N(l)个烟花弹（电压）的位置，令t= 1〇
[0022] 2.进行爆炸操作和最大功率跟踪。
[0023] 2.1更新位置信息。
[0024] 对每一个烟花弹（电压）沿着标准坐标轴的正负2个方向，分别以半径r(t)、2r (t)/3、r(t)/3按照公式(3)爆炸产生火花
(3) 其中&为烟花弹i(即爆炸中心）的当前位置，为烟花弹i爆炸产生的火花的位置。^ (t)( j=l，2,3)为爆炸半径，且ri(t)=r(t)，^(1:)=21'(1:)/3，^(1:)=11'(1:)/3，1'(1:)表示烟花弹 爆炸的最大半径且满足公式(2)。^(k=l，2)为爆炸的方向向量，关于烟花弹的爆炸方向， 我们选择比较直观的标准坐标轴的正负方向。
[0025] 2.2更新功率信息。
[0026] 在电压区间内，从大到小对烟花弹和火花点进行扫描，计算出每个火花点的功率。 在算法的初期，需要对搜索空间进行充分的探索，而在后期，随着向最优值的逐步收敛，只 需在一个局部范围内进行探索。因此，我们设定每一代放置的烟花弹的个数N(t)随着迭 代代数逐步的递减，N(t)满足公式(1)。
[0027] 2.3选出下一代烟花弹。
[0028] 从目前区间中所有火花和原烟花弹里选择最优的N(t) /2个，并从剩下的火花 或原烟花弹里随机挑选N(t) /2个，共同构成N(t)个烟花弹予以保留，采用部分保优、部 分随机挑选的选择策略可以有效的避免进入局部最优状态，其他的火花或烟花弹全部丢 弃，置 t=t+l〇
[0029] 3.最大功率点定位。
[0030] 若t<T，返回2.1;否则算法停止，输出得到的最优火花或烟花弹的位置及其目 标函数值。
【主权项】
1. 一种基于烟花算法的光伏发电系统最大功率点跟踪方法，其特征在于该方法包括的 步骤为： 1) 基于烟花算法的爆炸式捜索策略:采用烟花爆炸式独特的捜索机制，在输出电压捜 索区间中生成一定数目的烟花弹，然后对每个烟花弹进行正负2个方向的爆炸操作，爆炸产 生的大量火花在原烟花弹(炸点）的一定邻域范围内执行局部捜索，并采用局部保优的策略 逐代控制进行爆炸的烟花弹数，每次爆炸都包括电压大小更新阶段和功率信息更新阶段； 2) 基于烟花算法的跟踪策略:在算法的初期，需要对捜索空间进行充分的探索，而在后 期，随着向最优值的逐步收敛，只需在一个局部范围内进行探索，因此，我们设定每一代放 置的烟花弹的个数N随着迭代代数逐步的递减;在算法初期爆炸半径r的递减速度可W加 快，W利于烟花弹更快的集中到全局最优点附近，而在算法的末期，为了进一步提高算法的 精度，r的递减速度应较慢，使得算法在最优点附近能进行充分的局部捜索； 3) 避免陷入局部最优:在捜索过程中如果出现多峰情况，即有几个局部功率最大值点， 采用部分保优、部分随机挑选的选择策略可W有效的避免进入局部最优状态； 4) 最大功率点定位：当算法实际运行的迭代次数大于设定的参数T时，算法终止，确认 烟花最后的位置即为最大功率点。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的每一代烟花弹的个数N，其计算公式 为：其中，ceil为取整函数;t表示当前迭代代数;T表示算法的最大迭代代数;Nmax为初始烟 花弹的个数，Nmin为算法末期烟花弹的个数。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的爆炸半径r，将其设置成一个随着算 法的迭代代数的增加而呈非线性递减的参数，计算公式为：其中，t表示当前迭代代数;T表示算法的最大迭代代数;rmax为迭代初期烟花弹爆炸的 最大半径，Tmin为迭代末期的最大半径。
【专利摘要】本发明涉及一种基于烟花算法的光伏发电系统最大功率点跟踪方法，其特征在于所述方法包括以下步骤:1）最大功率点的发现和跟踪：基于烟花爆炸算法独特的搜索机制，在输出电压搜索区间中生成一定数目的烟花弹，然后对每个烟花弹进行正负2个方向的爆炸操作，爆炸产生的烟花在原烟花弹（炸点）的一定邻域范围内执行局部搜索，每次爆炸都包括电压大小更新阶段和功率信息更新阶段；2）最大功率点定位：重复烟花爆炸的过程，当算法实际运行的迭代次数大于设定的参数T时，算法终止，确认烟花最后的位置即为最大功率点。该方法不受外界环境变化的影响，可以通过光伏阵列输出电压、电流和功率信息来发现、跟踪最大功率点，采用部分保优、部分随机挑选的选择策略可以有效地避免其在搜索过程中陷入局部最优，最后准确定位到最大功率点位置，提高了搜索效率。
【IPC分类】G06F17/15, G05F1/67
【公开号】CN105652952
【申请号】
【发明人】蔡世冠, 严广, 季灿, 陈凯, 刘毅
【申请人】中国矿业大学
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2016年4月18日