一種最大功率點追蹤系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種最大功率點追蹤系統及方法，該系統包括：光伏陣列模塊，用于將太陽能通過光伏陣列轉化為電能；MPPT黃金分割點計算單元，利用黃金分割點法對光伏陣列模塊的輸出進行最大功率點追蹤，得到接近最大功率點的功率參考值；模型預測控制單元，對該MPPT黃金分割點計算單元的輸出再使用模型預測控制方法，跟蹤到準確的最大功率點，使系統運行在最大功率點處，并與黃金分割點法得出的功率參考值進行比較得出價值函數g，以控制Boost升壓電路的開關狀態；Boost升壓電路，連接在該光伏陣列模塊與負載之間，接收該模型預測控制單元的控制，本發明提高了光伏發電系統的轉換效率。
【專利說明】
一種最大功率點追蹤系統及方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率點跟蹤)方法， 特別是涉及一種模型預測控制與黃金分割點算法相結合的最大功率點追蹤方法。
【背景技術】
[0002] 近些年來，全球經濟快速發展，使得化石燃料過量消耗，出現能源危機，環境問題 也愈加嚴峻。太陽能作為清潔的可再生能源越來越受關注，由于太陽能光伏板的尺寸相對 較小，易于安裝，也可以接近用戶安裝，運行時無噪聲，無有害物質排放，太陽能發電的研究 越來越受重視。
[0003] 由于光伏電池的輸出電壓和輸出電流隨著日照強度和電池結溫的變化具有強烈 的非線性，因此在特定的工作環境下存在著一個唯一的最大功率輸出點(MPP)。為了能夠使 系統能夠一直工作在最大功率點，就需要一些特定的算法來對最大功率點進行跟蹤。
[0004] 目前，一些常用最大功率點跟蹤(MPPT)的方法有擾動觀察法(P&Q)，電導增量法 (INC)，模糊控制法，神經網絡法等，這些算法有各自的優缺點，P&Q算法簡單，易于實施，雖 然INC更精確，但是它的實施過程比較復雜，并且在條件快速變化的情況下，INC比P&Q更合 適，但是在陰影下，P&Q和INC跟蹤全局最大功率點都會失效。模糊控制和神經網絡這些智能 算法，算法結構復雜，難以實現，在實際應用中很少用到。
【發明內容】
[0005] 為克服上述現有技術存在的不足，本發明之目的在于提供一種模型預測控制與黃 金分割點算法相結合的MPPT方法，其通過將黃金分割點算法與模型預測控制相結合，從而 使系統快速、準確地跟蹤到最大功率點，提高了光伏發電系統的轉換效率。
[0006] 為達上述及其它目的，本發明提出一種最大功率點追蹤系統，包括：
[0007] 光伏陣列模塊，用于將太陽能通過光伏陣列轉化為電能；
[0008] MPPT黃金分割點計算單元，利用黃金分割點法對光伏陣列模塊的輸出進行最大功 率點追蹤，得到接近最大功率點的功率參考值；
[0009] 模型預測控制單元，對該MPPT黃金分割點計算單元的輸出再使用模型預測控制方 法，跟蹤到準確的最大功率點，使系統運行在最大功率點處，并與黃金分割點法得出的功率 參考值進行比較得出價值函數g，以控制Boost升壓電路的開關狀態；
[0010] Boost升壓電路，連接在該光伏陣列模塊與負載之間，接收該模型預測控制單元的 控制。
[0011 ]進一步地，該MPPT黃金分割點計算單元通過光伏電池的ρ-u特性曲線，使用黃金分 割點算法對最大功率點進行跟蹤。
[0012] 進一步地，該MPPT黃金分割點計算單元通過如下步驟實現：
[0013] (1)設定初始范圍【aQ，b〇】；。
[0014] (2)計算黃金分割點xl，x2,并計算相對應的功率PX1，PX2。
[0015] (3)比較ρχι和px2，若ρχι = px2，則下一范圍為【X1，X2】;若PX1 < Ρχ2，削去【ao，xi】，則下 一范圍為【xl，bo】;若Pxi>Px2,削去【x2，bo】，則下一范圍為【ao，x2】，其中，ao、bo、xl、x2為光 伏電池的P-U曲線的U;
[0016] (4)反復重復步驟(2)和(3)，當兩點功率之差小于特定的某個設定值ε時，接近最 大功率點。
[0017] 進一步地，該模型預測控制單元基于Boost升壓電路的預測模型，利用兩步法進行 預測。
[0018] 進一步地，該模型預測控制單元采用如下最小化價值函數獲得價值函數g:
[0019] gs=0,l= I PpV,S=0,l(k+2)-Pref
[0020] 其中，Ρρν,Η,Κ?^)為K+2時刻的光伏輸出功率，S = 0為開關管斷開狀態，S = 1為 開關管閉合狀態，Prrf為該MPPT黃金分割點計算單元計算的功率參考值。
[0021 ]為達到上述目的，本發明還提供一種最大功率點追蹤方法，包括如下步驟：
[0022]步驟一，利用光伏陣列模塊將太陽能轉化為電能。
[0023] 步驟二，利用黃金分割點算法對光伏陣列模塊的輸出進行最大功率點追蹤，得到 接近最大功率點的功率參考值。
[0024] 步驟三，對利用黃金分割點進行最大功率點追蹤的輸出再使用模型預測控制方 法，跟蹤到準確的最大功率點，使系統運行在最大功率點處，并與黃金分割點法得出的功率 參考值進行比較得出價值函數g，以控制Boost升壓電路的開關狀態。
[0025] 進一步地，步驟二進一步包括：
[0026] (1)設定初始范圍【&〇，130】。
[0027] (2)計算黃金分割點xl，x2,并計算相對應的功率PX1，PX2。
[0028] (3)比較PX1和?12，若ΡΧ1 = Ρχ2，則下一范圍為【X1，x2】;若ΡΧ1 <Ρχ2，削去【ao，X1】，則 下一范圍為【xl，bo】;若Ρχι>Ρχ2,削去【x2，bo】，則下一范圍為【ao，x2】，其中ao、bo、xl、x2S* 伏電池的P-U曲線的U;
[0029] (4)反復重復步驟(2)和(3)，當兩點功率之差小于特定的某個設定值ε時，接近最 大功率點。
[0030] 進一步地，于步驟三中，基于Boost升壓電路的預測模型，利用兩步法進行預測，使 得跟蹤最大功率點的值更準確。
[0031] 進一步地，于步驟三中，采用如下最小化價值函數獲得價值函數g:
[0032] gs=o,i= I Ppv,s=o,i(k+2)-Pref
[0033] 其中，Ρρν,Η,Κ?^)為K+2時刻的光伏輸出功率，S = 0為開關管斷開狀態，S = 1為 開關管閉合狀態，Pw為該MPPT黃金分割點計算單元計算的功率參考值。
[0034] 進一步地，該方法通過改變PWM控制信號的占空比來實現。
[0035] 與現有技術相比，本發明一種最大功率點追蹤系統及方法通過將黃金分割點算法 與模型預測控制相結合，從而使系統快速、準確地跟蹤到最大功率點，并且在最大功率點處 不產生震蕩，提高了光伏發電系統的轉換效率。
【附圖說明】
[0036] 圖1為光伏電池的等效電路不意圖；
[0037] 圖2為光伏特性曲線示意圖；
[0038] 圖3為本發明一種最大功率點追蹤系統的結構不意圖；
[0039]圖4為黃金分割點原理示意圖；
[0040]圖5為黃金分割點算法原理圖；
[0041 ]圖6和圖7分別為Boost升壓電路的開關斷開和閉合的等效電路圖；
[0042]圖8為MPC(模型預測控制)兩步法預測說明圖；
[0043]圖9為本發明具體實施例的MPPT過程圖；
[0044]圖10為本發明一種最大功率點追蹤方法的步驟流程圖。
【具體實施方式】
[0045]以下通過特定的具體實例并結合【附圖說明】本發明的實施方式，本領域技術人員可 由本說明書所揭示的內容輕易地了解本發明的其它優點與功效。本發明亦可通過其它不同 的具體實例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基于不同觀點與應用，在不背離 本發明的精神下進行各種修飾與變更。
[0046] 在介紹本發明之前，先說明光伏電池的特性：
[0047] 光伏電池的等效電路如圖1所示。電流源的輸出直接與光照輻射水平成比例，平行 二極管對太陽能電池的I-V曲線特點有決定性作用。
[0048] 這個模型包含隨溫度、光照強度而變的光生電流II，二極管飽和電流1〇,串聯電阻 Rs，和平行二極管。太陽能電池的I-V特性由以下公式描述：
[0057] 上述公式的一些常數，例如在T1時刻的開路電壓和短路電流可以從設備的數據手 冊中獲得。太陽能光伏板無光照照射時，端電壓和端電流的關系可以用著名的肖克二極管 公式來表明，用式(9)表示：
[0058]
[0059] 當光照照射電池板以及電路開路時，光電流完全地向二極管流動。公式（1)表示光 電流的分流。公式(2)表示光電流和溫度的線性關系。公式(4)推斷出了光電流隨溫度改變 而改變的關系。短路電流周期中，二極管電流可以忽略不計，因此比例常數Iscm,n?)是在特 定的光照條件下設定的短路電流Isc，如公式(3)所示。公式(5)說明的是1〇與溫度的關系。公 式(6)說明的是在溫度!^時刻，從開路電壓和短路電流計算出來的的二極管飽和電流1〇。理 想因子η在正常條件下可以為1.2。太陽能光伏板的串聯電阻可以從公式(7)、（8)計算出來， 大約為8πιΩ。圖2為光伏特性曲線。
[0060]圖3為本發明一種最大功率點追蹤系統的結構示意圖。如圖3所示，本發明一種最 大功率點追蹤系統，包括:光伏陣列模塊301、ΜΡΡΤ黃金分割點計算單元302、模型預測控制 單元303、Boost升壓電路304。
[00611其中，光伏陣列模塊301用于將太陽能通過光伏陣列轉化為電能;MPPT黃金分割點 計算單元302利用黃金分割點法對光伏陣列模塊301的輸出進行最大功率點追蹤，得到接近 最大功率點的功率參考值;模型預測控制單元303對MPPT黃金分割點計算單元302的輸出再 使用模型預測控制方法，跟蹤到準確的最大功率點，使系統運行在最大功率點處，并與黃金 分割點法得出的功率參考值進行比較得出價值函數g，以控制Boost升壓電路305的開關狀 態，該模型預測控制單元303可以預測到光伏板的輸出電壓和輸出電流，然后計算出預測的 功率;與黃金分割點法得出的功率參考值進行比較得出價值函數g，最后控制Boost升壓電 路304開關的開通、關斷;Boost升壓電路304,連接在光伏陣列模塊301與負載之間，接收模 型預測控制單元303的控制，光伏陣列模塊301的一端與Boost升壓電路304的電感L 一端相 連，電感L的另一端與Boost升壓電路304的開關管S-端和前向導通二極管D1正極連接，光 伏陣列模塊的另一端與開關管S另一端連接，這里開關管S可以為IGBT管，電容C 一端連接二 極管D1的負極，另一端連接該光伏陣列模塊301與該開關管S。
[0062 ]本發明的控制策略是基于Boo s t升壓電路，通過控制算法驅動boo s t升壓電路的開 關管，從而實現MPPT。控制對象為光伏板的輸出功率，功率是通過電壓、電流計算得到，使用 黃金分割點法來對最大功率進行跟蹤，得到的功率參考值接近最大功率點，再使用模型預 測控制方法，可跟蹤到準確的最大功率點，使系統運行在最大功率點處，預測模型可以預測 到光伏板的輸出電壓和輸出電流，然后計算出預測的功率，再與黃金分割點法得出的功率 參考值進行比較得出價值函數g，最后控制Boost電路的開關的開通、關斷。
[0063]具體地，MPPT黃金分割點計算單元302是利用黃金分割點法對光伏陣列模塊101的 輸出進行最大功率點追蹤，得到接近最大功率點的功率參考值。黃金分割點原理如圖4所 不。
[0064] x2 = AL,xl =L-AL = L-x2
[0065] 其中 λ = 〇·618
[0066] 因此，當最優點再區間【aQ，bQ】時，將試探點取在區間的0.618處，即x2 = 0.618(b〇-ao)，則另一個點就在它的對稱位置上，即xl = (bQ-aQ)-x2 = 0 · 382(bQ-aQ)，在下一次削去時， 在剩余區間的取點再選取黃金分割點，如此重復。
[0067]本發明中，MPPT黃金分割點計算單元302通過光伏電池的P-U特性曲線，使用黃金 分割點算法對最大功率點進行跟蹤的步驟如下：
[0068] (1)設定初始范圍【ao，bo】，如圖5所示。
[0069] (2)計算黃金分割點xl，x2,并計算相對應的功率PX1，PX2。
[0070] (3)比較 PxdPPx2,若Ρχ1 = Ρχ2,則下一范圍為 下一范圍為【xl，bo】;若Ρχι>Ρχ2,削去【x2，bo】，則下一范圍為【ao，x2】。（以上ao、bo、xl、x2是 P-U曲線的U)
[0071] (4)反復重復步驟(2)和(3)，當兩點功率之差小于特定的某個設定值ε(ε =0.37) 時，接近最大功率點。
[0072]模型預測控制單元303是對ΜΡΡΤ黃金分割點計算單元102的輸出再使用模型預測 控制方法，跟蹤到準確的最大功率點，使系統運行在最大功率點處，并與黃金分割點法得出 的功率參考值進行比較得出價值函數g，以控制Boost升壓電路304的開關狀態。具體地，本 發明利用兩步法進行預測，使得跟蹤最大功率點的值更準確。圖6和圖7是Boost升壓電路的 開關斷開和閉合的等效電路圖。
[0073] 當升壓電路開關斷開時，電路可表述為式10和式11:
[0074]
[0075] 當升壓電路開關閉合時，電路可表述為式12和式13:
[0076]
[0077] 通過使用歐拉近似方法，可以得到拓撲結構的離散時間模型，式14所示。
[0078]
[0079] 通過得到的離散時間方程式，在下一個采樣時刻k+Ι的控制變量可以被預測。
[0080] 又根據升壓電路輸入與輸出的關系:Vpv= (l-D)Vc,其中D為開關管的占空比。
[0081] 當采樣時間為當采樣時間為Ts時，可以得到當開關斷開時的式15、式16和當開關S 閉合開時的式17、式18。
[0086] 根據式15、16、17、18可以得出IpV(k+l)和VpV(k+l)的預測值，式19、20表示。
[0087]
[0088]
[0089] S為開關的狀態(S = 〇或S = 1)。
[0090] 為了預測在時刻k+2的控制變量，PV電壓、PV電流和輸出電壓在k+1時刻的估算值 被使用。所以在采樣時刻k+2,預測出控制變量的四個值，最后選擇一個最佳值，圖8詳細地 描述了該過程。則MPC(模型預測控制)第二階段的等式為式21、22。
[0091]
[0092]
[0093] 離散時間的預測模型可以用狀態空間表示，為式(23):
[0094]
[0095]價值函數在MPC控制算法中起著決定性的作用，它對期望值的偏差進行了約束。 Prrf由黃金分割點法得到。最小化價值函數表示為式24:
[0096] gs=o,i= | Ppv,s=o,i(k+2)-Pref (24)
[0097] 其中，Ppv,s=o,i(k+2)為K+2時刻的光伏輸出功率，S = 0為開關管斷開狀態，S = 1為 開關管閉合狀態，Prrf為該MPPT黃金分割點計算單元計算的功率參考值。
[0098] 在實際應用中，電壓的改變是通過改變PWM控制信號的占空比來實現的，因此追蹤 范圍為占空比D的改變范圍。設定初始范圍【D a，Db】，計算黃金分割點DjPD2,設置當前占空 比為Di，采樣這時光伏電池輸出的電壓電流，再計算此時的功率P 1;再將占空比設置為D2，采 樣這時光伏電池的電壓、電流，計算此時的功率P2。比較PjPP 2，如果Pi = P2，則下一范圍為 【01，02】;如果? 1<?2，則下一范圍為【01，0」;如果?1>? 2，則下一范圍為【03,02】。計算兩個功 率值之差，若其絕對值小于設定值ε時，則輸出參考功率Prrf給最小化價值函數，計算此時的 占空比D k，設置當前占空比為Dk，采樣1以1〇、￥[^(10、1(10，通過預測模型預測出最佳值1 [^ (k+2)、Vpv(k+2)。計算Ppv(k+2)，通過最小化價值函數g控制Boost電路的開關狀態，S=1，開 關閉合;S = 0,開關斷開。詳細流程圖如圖9所示。
[0099] 圖10為本發明一種最大功率點追蹤方法的步驟流程圖。如圖10所示，本發明一種 MPPT方法，包括如下步驟：
[0100] 步驟101，利用光伏陣列模塊將太陽能轉化為電能。
[0101] 步驟102,利用黃金分割點算法對光伏陣列模塊的輸出進行最大功率點追蹤，得到 接近最大功率點的功率參考值。
[0102] 步驟103,對利用黃金分割點進行最大功率點追蹤的輸出再使用模型預測控制方 法，跟蹤到準確的最大功率點，使系統運行在最大功率點處，并與黃金分割點法得出的功率 參考值進行比較得出價值函數g，以控制Boost升壓電路的開關狀態。
[0103] 具體地，于步驟102中，利用黃金分割點算法進行最大功率點追蹤的步驟如下：
[0104] (1)設定初始范圍【&〇，130】。
[0105] (2)計算黃金分割點xl，x2,并計算相對應的功率PX1，PX2。
[0106] (3)比較PX1和卩12，若ΡΧ1 = Ρχ2，則下一范圍為【X1，x2】;若ΡΧ1 <Ρχ2，削去【ao，X1】，則 下一范圍為【xl，bo】;若Ρχι>Ρχ2,削去【x2，bo】，則下一范圍為【ao，x2】。（以上ao、bo、xl、x2是 P-U曲線的U)
[0107] (4)反復重復步驟(2)和(3)，當兩點功率之差小于特定的某個設定值ε(ε =0.37) 時，接近最大功率點。
[0108] 于步驟103中，基于Boost升壓電路的預測模型，利用兩步法進行預測，使得跟蹤最 大功率點的值更準確。具體地，MPC(模型預測控制)在第一階段(k+1時刻）的預測值為：
[0109]
[0110]
[0111] MPC(模型預測控制)在第二階段(k+2時刻）的預測值為：
又、.[0114] 離散時間的預測樽型可以用狀杰苧間表示，為：
[0112]
[0113]
[0115]
[0116] 價值函數在MPC控制算法中起著決定性的作用，它對期望值的偏差進行了約束。 Praf由黃金分割點法得到。最小化價值函數如下：。
[0117] gs=0,l= I PpV,S=0,l(k+2)-Pref
[0118]其中，Ppv,s=o,i(k+2)為K+2時刻的光伏輸出功率，S = 0為開關管斷開狀態，S = 1為 開關管閉合狀態，Pw為該MPPT黃金分割點計算單元計算的功率參考值。
[0119]可見，本發明一種最大功率點追蹤系統及方法通過將黃金分割點算法與模型預測 控制相結合，從而使系統快速、準確地跟蹤到最大功率點，并且在最大功率點處不產生震 蕩。黃金分割點(GSS)算法是區間削去法中的一種，其優點是快速響應，魯棒性強和收斂性 有保證。黃金分割點算法的實質是不斷地減小最優點的收索范圍，其基本思想是:依照"去 壞留好"原則、對稱原則、以及等比收縮原則來逐步縮小搜索范圍，模型預測控制(MPC)主要 的特點是對期望控制變量的將來狀態的預測，預測控制變量通過一個最小化價值函數獲得 最佳開關狀態，通過本發明，提高了光伏發電系統的轉換效率。
[0120]上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何本 領域技術人員均可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此， 本發明的權利保護范圍，應如權利要求書所列。
【主權項】
1. 一種最大功率點追蹤系統，包括： 光伏陣列模塊，用于將太陽能通過光伏陣列轉化為電能； MPPT黃金分割點計算單元，利用黃金分割點法對光伏陣列模塊的輸出進行最大功率點 追蹤，得到接近最大功率點的功率參考值； 模型預測控制單元，對該MPPT黃金分割點計算單元的輸出再使用模型預測控制方法， 跟蹤到準確的最大功率點，使系統運行在最大功率點處，并與黃金分割點法得出的功率參 考值進行比較得出價值函數g，以控制Boost升壓電路的開關狀態； Boost升壓電路，連接在該光伏陣列模塊與負載之間，接收該模型預測控制單元的控 制。2. 如權利要求1所述的一種最大功率點追蹤系統，其特征在于:該MPPT黃金分割點計算 單元通過光伏電池的P-U特性曲線，使用黃金分割點算法對最大功率點進行跟蹤。3. 如權利要求2所述的一種最大功率點追蹤系統，其特征在于:該MPPT黃金分割點計算 單元通過如下步驟實現： (1) 設定初始范圍【8()，130】； (2) 計算黃金分割點xl，x2,并計算相對應的功率PX1，PX2; (3) 比較PX1和?12，若ΡΧ1 = Ρχ2，則下一范圍為【X1，x2】;若Ρπ < Ρχ2，削去【ao，X1】，則下一范 圍為【xl，bo】;若Ρχι>Ρχ2,削去【x2，bo】，則下一范圍為【ao，x2】，其中，ao、bo、xl、x2為光伏電 池的P-U曲線的U; (4) 反復重復步驟(2)和(3)，當兩點功率之差小于特定的某個設定值ε時，接近最大功 率點。4. 如權利要求3所述的一種最大功率點追蹤系統，其特征在于:該模型預測控制單元基 于Boost升壓電路的預測模型，利用兩步法進行預測。5. 如權利要求4所述的一種最大功率點追蹤系統，其特征在于，該模型預測控制單元采 用如下最小化價值函數獲得價值函數g: gs=0,l= | PpV, S=0,1 (k+2 ) -Pref 其中，Ppv, s=o, l (k+2)為K+2時刻的光伏輸出功率，S = 0為開關管斷開狀態，S = 1為開關管 閉合狀態，Prrf為該MPPT黃金分割點計算單元計算的功率參考值。6. -種最大功率點追蹤方法，包括如下步驟： 步驟一，利用光伏陣列模塊將太陽能轉化為電能。 步驟二，利用黃金分割點算法對光伏陣列模塊的輸出進行最大功率點追蹤，得到接近 最大功率點的功率參考值。 步驟三，對利用黃金分割點進行最大功率點追蹤的輸出再使用模型預測控制方法，跟 蹤到準確的最大功率點，使系統運行在最大功率點處，并與黃金分割點法得出的功率參考 值進行比較得出價值函數g，以控制Boost升壓電路的開關狀態。7. 如權利要求6所述的一種最大功率點追蹤方法，其特征在于，步驟二進一步包括： (1) 設定初始范圍【8()，130】； (2) 計算黃金分割點xl，x2,并計算相對應的功率PX1，PX2; (3) 比較PX1和?12，若ΡΧ1 = Ρχ2，則下一范圍為【X1，x2】;若Ρπ < Ρχ2，削去【ao，X1】，則下一范 圍為【xl，bo】;若Ρχι>Ρχ2,削去【x2，bo】，則下一范圍為【ao，x2】，其中8〇、13()、11、12為光伏電池 的Ρ-υ曲線的u; (4)反復重復步驟(2)和(3)，當兩點功率之差小于特定的某個設定值ε時，接近最大功 率點。8. 如權利要求7所述的一種最大功率點追蹤方法，其特征在于:于步驟三中，基于Boost 升壓電路的預測模型，利用兩步法進行預測，使得跟蹤最大功率點的值更準確。9. 如權利要求8所述的一種最大功率點追蹤方法，其特征在于，于步驟三中，采用如下 最小化價值函數獲得價值函數g: gs=0,l= | PpV, S=0,1 (k+2 ) -Pref 其中，Ppv, s=o, l (k+2)為K+2時刻的光伏輸出功率，S = 0為開關管斷開狀態，S = 1為開關管 閉合狀態，Prrf為該MPPT黃金分割點計算單元計算的功率參考值。10. 如權利要求9所述的一種最大功率點追蹤方法，其特征在于:該方法通過改變PWM控 制信號的占空比來實現。
【文檔編號】G05F1/67GK105974995SQ201610318409
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月13日
【發明人】黃志鵬, 潘三博, 陳睿梓, 呂國柱, 蔡靜雯, 周敏
【申請人】上海電機學院