一種基于煙花算法的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光伏發(fā)電系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及一種基于煙花算法的最大功率點(diǎn)跟蹤方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 太陽能作為現(xiàn)今自然界中最為理想的新能源之一，收到越來越普遍的重視。太陽 能與其他綠色可再生新能源相比有儲(chǔ)量豐富、分布范圍廣泛、能源清潔的特性。太陽能光伏 發(fā)電在可再生能源和新能源中占有很大的比例，被全社會(huì)公認(rèn)為當(dāng)前世界最有發(fā)展?jié)摿Φ?新能源技術(shù)。
[0003] 在一定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏陣列的輸出功率隨著輸出電壓的變化而變 化，只有在某一輸出電壓值時(shí)，輸出功率才能達(dá)到最大值。提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體效率， 一個(gè)重要途徑就是調(diào)整光伏陣列的工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近，即實(shí)現(xiàn)最大 功率點(diǎn)跟蹤MPPT(Maximum Power Point Tracking)。在天氣條件多變的情況下，光伏發(fā)電 系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)實(shí)時(shí)跟蹤成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。
[0004] 目前，常用的MPPT方法包括：恒定電壓法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法、模糊控制和 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。其中恒定電壓法所依據(jù)參數(shù)與外界環(huán)境相關(guān)，跟蹤效果不理想。增量導(dǎo)納法相 對(duì)復(fù)雜，對(duì)控制系統(tǒng)要求較高。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法跟蹤效果較好，但樣本獲取過程較難且不易達(dá)到 預(yù)期效果。模糊控制法能快速響應(yīng)外部環(huán)境變化，但需以"專家經(jīng)驗(yàn)"作為基礎(chǔ)，而實(shí)際"專 家經(jīng)驗(yàn)"并不完備，故存在局限性。在外界環(huán)境突然變化或者出現(xiàn)局部陰影時(shí)，這些算法易 使搜索陷入局部最優(yōu)，搜索效率低。
[0005] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有跟蹤方法存在的不足，提出一種基于煙花算法的光伏發(fā) 電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法，它同時(shí)具有發(fā)現(xiàn)、跟蹤、定位的功能，而且有效避免了搜索陷 入局部最優(yōu)，準(zhǔn)確迅速的定位到最大功率點(diǎn)的位置。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 為了解決現(xiàn)有的最大功率點(diǎn)跟蹤方法所依據(jù)參數(shù)與外界環(huán)境相關(guān)度高、跟蹤效果 不好且易陷入局部最優(yōu)狀態(tài)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種基于煙花算法的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大 功率點(diǎn)跟蹤方法。在不依靠外界環(huán)境變化的情況下，可以通過光伏陣列輸出電壓、電流和功 率信息來發(fā)現(xiàn)、跟蹤最大功率點(diǎn)并避免其在搜索過程中陷入局部最優(yōu)，最后準(zhǔn)確定位到最 大功率點(diǎn)位置，提高了搜索效率。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是： 最大功率點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)和跟蹤： 基于煙花爆炸算法獨(dú)特的搜索機(jī)制，在輸出電壓搜索區(qū)間中生成一定數(shù)目的煙花彈， 然后對(duì)每個(gè)煙花彈進(jìn)行正負(fù)2個(gè)方向的爆炸操作，爆炸產(chǎn)生的大量火花在原煙花彈(炸點(diǎn)） 的一定鄰域范圍內(nèi)執(zhí)行局部搜索，并采用局部保優(yōu)的策略逐代控制進(jìn)行爆炸的煙花彈數(shù)。 每次爆炸都包括電壓大小更新階段和功率信息更新階段。
[0008] 首先在電壓搜索區(qū)間隨機(jī)放置N個(gè)煙花彈，每個(gè)煙花彈爆炸會(huì)有一個(gè)爆炸半徑r， 爆炸產(chǎn)生的火花會(huì)散落在這一半徑范圍內(nèi)。如果煙花爆炸產(chǎn)生的火花超出了電壓搜索區(qū)間 的范圍，那么將火花隨機(jī)映射到電壓搜索區(qū)間內(nèi)，從而對(duì)爆炸區(qū)間范圍進(jìn)行了限制。這樣既 避免了無效的搜索，也給算法注入了一定的突變能力，可以改善算法的搜索效率。
[0009] 在算法的初期，需要對(duì)搜索空間進(jìn)行充分的探索，而在后期，隨著向最優(yōu)值的逐步 收斂，只需在一個(gè)局部范圍內(nèi)進(jìn)行探索。因此，我們?cè)O(shè)定每一代放置的煙花彈的個(gè)數(shù)N隨 著迭代代數(shù)逐步的遞減，其計(jì)算公式為：
(1)其中，ceil為取整函數(shù);t表示當(dāng) 前迭代代數(shù);T表示算法的最大迭代代數(shù);Nmax為初始煙花彈的個(gè)數(shù)，Nmin為算法末期煙花彈 的個(gè)數(shù)。
[0010] 每次爆炸后，以部分保優(yōu)、部分隨機(jī)挑選的選擇策略選取N(t)個(gè)較優(yōu)的火花做為 下次爆炸的煙花彈，隨著迭代次數(shù)的增加，最后煙花彈的炸點(diǎn)及其產(chǎn)生的火花會(huì)集中在問 題的最優(yōu)解位置附近。采用這種策略是為了既保留優(yōu)秀煙花彈和火花的信息，又在一定程 度上保證煙花彈和火花的多樣性，減小算法早熟的概率。
[0011] 在光伏發(fā)電系統(tǒng)工作時(shí)，由于一部分搜索區(qū)間輸出功率很小，因此在迭代初期，r 取值較大，有利于算法進(jìn)行全局探索，在迭代后期，r取值較小，有利于算法的局部搜索。但 是，我們可以注意到，由于每一代煙花彈爆炸產(chǎn)生的火花數(shù)量較多，覆蓋面比較廣，因此，在 算法初期r的遞減速度可以加快，以利于煙花彈更快的集中到全局最優(yōu)點(diǎn)附近。而在算法的 末期，為了進(jìn)一步提高算法的精度，r的遞減速度應(yīng)較慢，使得算法在最優(yōu)點(diǎn)附近能進(jìn)行充 分的局部搜索。所以將r設(shè)置成一個(gè)隨著算法的迭代代數(shù)的增加而呈非線性遞減的參數(shù)，其 計(jì)算公式為：
(2) 其中，t表示當(dāng)前迭代代數(shù);T表示算法的最大迭代代數(shù);rmax為迭代初期煙花彈爆炸的 最大半徑，rmin為迭代末期的最大半徑。
[0012] 在搜索過程中如果出現(xiàn)多峰情況，即有幾個(gè)局部功率最大值點(diǎn)，采用部分保優(yōu)、部 分隨機(jī)挑選的選擇策略可以有效的避免進(jìn)入局部最優(yōu)狀態(tài)。
[0013 ]最大功率點(diǎn)定位： 重復(fù)煙花爆炸的過程，當(dāng)算法實(shí)際運(yùn)行的迭代次數(shù)大于設(shè)定的參數(shù)T時(shí)，算法終止，確 認(rèn)煙花最后的位置即為最大功率點(diǎn)。
【附圖說明】
[0014] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0015] 圖1是光伏陣列輸出特性曲線。其中I為電流，V為電壓，P為功率，可以看出存在一 個(gè)輸出電壓，使輸出功率P為最大值，圖中MPP即為最大功率點(diǎn)。
[0016] 圖2是局部陰影下的輸出特性曲線。其中I為電流，V為電壓，P為功率。如果在一個(gè) 光伏陣列中出現(xiàn)了多個(gè)不同程度的陰影，那么光伏陣列的輸出功率曲線就會(huì)出現(xiàn)多峰的情 況，局部陰影狀態(tài)下，光伏陣列的輸出特性曲線和子陣列的輸出特性曲線分別如曲線1、曲 線2、曲線3所示。
[0017] 圖3是光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路拓?fù)鋱D。其中MPPT控制器采用煙花算法，給定一個(gè)電壓 煙花彈或者火花后，調(diào)節(jié)Dref的大小，和三角載波比較之后就調(diào)節(jié)了占空比，使得電池輸出 電壓等于給定值。通過采樣電池電壓和電流，計(jì)算出當(dāng)前輸出功率并存儲(chǔ)，最后比較各個(gè)電 壓煙花彈或火花處的功率大小，選出較優(yōu)的煙花彈或火花。
[0018] 圖4是本發(fā)明方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 1.初始化。
[0020] 1.1設(shè)置算法參數(shù)T、N(t)、r(t)其中T為算法的迭代代數(shù)，N(t)為煙花彈數(shù)，滿足 公式(l)，r(t)為煙花彈的爆炸半徑，滿足公式(2)。
[0021] 1.2在1維電壓搜索空間范圍內(nèi)隨機(jī)初始化N(l)個(gè)煙花彈（電壓）的位置，令t= 1〇
[0022] 2.進(jìn)行爆炸操作和最大功率跟蹤。
[0023] 2.1更新位置信息。
[0024] 對(duì)每一個(gè)煙花彈（電壓）沿著標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)軸的正負(fù)2個(gè)方向，分別以半徑r(t)、2r (t)/3、r(t)/3按照公式(3)爆炸產(chǎn)生火花
(3) 其中&為煙花彈i(即爆炸中心）的當(dāng)前位置，為煙花彈i爆炸產(chǎn)生的火花的位置。^ (t)( j=l，2,3)為爆炸半徑，且ri(t)=r(t)，^(1:)=21'(1:)/3，^(1:)=11'(1:)/3，1'(1:)表示煙花彈 爆炸的最大半徑且滿足公式(2)。^(k=l，2)為爆炸的方向向量，關(guān)于煙花彈的爆炸方向， 我們選擇比較直觀的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)軸的正負(fù)方向。
[0025] 2.2更新功率信息。
[0026] 在電壓區(qū)間內(nèi)，從大到小對(duì)煙花彈和火花點(diǎn)進(jìn)行掃描，計(jì)算出每個(gè)火花點(diǎn)的功率。 在算法的初期，需要對(duì)搜索空間進(jìn)行充分的探索，而在后期，隨著向最優(yōu)值的逐步收斂，只 需在一個(gè)局部范圍內(nèi)進(jìn)行探索。因此，我們?cè)O(shè)定每一代放置的煙花彈的個(gè)數(shù)N(t)隨著迭 代代數(shù)逐步的遞減，N(t)滿足公式(1)。
[0027] 2.3選出下一代煙花彈。
[0028] 從目前區(qū)間中所有火花和原煙花彈里選擇最優(yōu)的N(t) /2個(gè)，并從剩下的火花 或原煙花彈里隨機(jī)挑選N(t) /2個(gè)，共同構(gòu)成N(t)個(gè)煙花彈予以保留，采用部分保優(yōu)、部 分隨機(jī)挑選的選擇策略可以有效的避免進(jìn)入局部最優(yōu)狀態(tài)，其他的火花或煙花彈全部丟 棄，置 t=t+l〇
[0029] 3.最大功率點(diǎn)定位。
[0030] 若t<T，返回2.1;否則算法停止，輸出得到的最優(yōu)火花或煙花彈的位置及其目 標(biāo)函數(shù)值。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于煙花算法的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法，其特征在于該方法包括的 步驟為： 1) 基于煙花算法的爆炸式捜索策略:采用煙花爆炸式獨(dú)特的捜索機(jī)制，在輸出電壓捜 索區(qū)間中生成一定數(shù)目的煙花彈，然后對(duì)每個(gè)煙花彈進(jìn)行正負(fù)2個(gè)方向的爆炸操作，爆炸產(chǎn) 生的大量火花在原煙花彈(炸點(diǎn)）的一定鄰域范圍內(nèi)執(zhí)行局部捜索，并采用局部保優(yōu)的策略 逐代控制進(jìn)行爆炸的煙花彈數(shù)，每次爆炸都包括電壓大小更新階段和功率信息更新階段； 2) 基于煙花算法的跟蹤策略:在算法的初期，需要對(duì)捜索空間進(jìn)行充分的探索，而在后 期，隨著向最優(yōu)值的逐步收斂，只需在一個(gè)局部范圍內(nèi)進(jìn)行探索，因此，我們?cè)O(shè)定每一代放 置的煙花彈的個(gè)數(shù)N隨著迭代代數(shù)逐步的遞減;在算法初期爆炸半徑r的遞減速度可W加 快，W利于煙花彈更快的集中到全局最優(yōu)點(diǎn)附近，而在算法的末期，為了進(jìn)一步提高算法的 精度，r的遞減速度應(yīng)較慢，使得算法在最優(yōu)點(diǎn)附近能進(jìn)行充分的局部捜索； 3) 避免陷入局部最優(yōu):在捜索過程中如果出現(xiàn)多峰情況，即有幾個(gè)局部功率最大值點(diǎn)， 采用部分保優(yōu)、部分隨機(jī)挑選的選擇策略可W有效的避免進(jìn)入局部最優(yōu)狀態(tài)； 4) 最大功率點(diǎn)定位：當(dāng)算法實(shí)際運(yùn)行的迭代次數(shù)大于設(shè)定的參數(shù)T時(shí)，算法終止，確認(rèn) 煙花最后的位置即為最大功率點(diǎn)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的每一代煙花彈的個(gè)數(shù)N，其計(jì)算公式 為：其中，ceil為取整函數(shù);t表示當(dāng)前迭代代數(shù);T表示算法的最大迭代代數(shù);Nmax為初始煙 花彈的個(gè)數(shù)，Nmin為算法末期煙花彈的個(gè)數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的爆炸半徑r，將其設(shè)置成一個(gè)隨著算 法的迭代代數(shù)的增加而呈非線性遞減的參數(shù)，計(jì)算公式為：其中，t表示當(dāng)前迭代代數(shù);T表示算法的最大迭代代數(shù);rmax為迭代初期煙花彈爆炸的 最大半徑，Tmin為迭代末期的最大半徑。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于煙花算法的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法，其特征在于所述方法包括以下步驟:1）最大功率點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)和跟蹤：基于煙花爆炸算法獨(dú)特的搜索機(jī)制，在輸出電壓搜索區(qū)間中生成一定數(shù)目的煙花彈，然后對(duì)每個(gè)煙花彈進(jìn)行正負(fù)2個(gè)方向的爆炸操作，爆炸產(chǎn)生的煙花在原煙花彈（炸點(diǎn)）的一定鄰域范圍內(nèi)執(zhí)行局部搜索，每次爆炸都包括電壓大小更新階段和功率信息更新階段；2）最大功率點(diǎn)定位：重復(fù)煙花爆炸的過程，當(dāng)算法實(shí)際運(yùn)行的迭代次數(shù)大于設(shè)定的參數(shù)T時(shí)，算法終止，確認(rèn)煙花最后的位置即為最大功率點(diǎn)。該方法不受外界環(huán)境變化的影響，可以通過光伏陣列輸出電壓、電流和功率信息來發(fā)現(xiàn)、跟蹤最大功率點(diǎn)，采用部分保優(yōu)、部分隨機(jī)挑選的選擇策略可以有效地避免其在搜索過程中陷入局部最優(yōu)，最后準(zhǔn)確定位到最大功率點(diǎn)位置，提高了搜索效率。
【IPC分類】G06F17/15, G05F1/67
【公開號(hào)】CN105652952
【申請(qǐng)?zhí)枴?br>【發(fā)明人】蔡世冠, 嚴(yán)廣, 季燦, 陳凱, 劉毅
【申請(qǐng)人】中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年6月8日
【申請(qǐng)日】2016年4月18日