一种光伏系统最大功率点跟踪优化方法技术方案

本发明专利技术提供了一种光伏系统最大功率点跟踪优化方法。首先，根据光伏电池等效电路得出光伏阵列数学模型，构建目标函数及约束函数；其次，根据目标函数和约束函数建立拉格朗日函数，然后对拉格朗日函数进行求解，确定其搜索方向dk及拉格朗日乘子λk；再次，由改进的Armijo准则进行搜索，确定最大功率点处电压的补偿因子，由此即可计算出新的迭代点；最后，若电压的收敛判别不满足终止条件则对Hessian矩阵进行更新，继续迭代，直到得出最大功率点处的最优电压解。本发明专利技术可弥补经典最大功率点跟踪方法忽略外部条件变化、在最大功率点处易振荡、且实现复杂等问题。本发明专利技术可减小外部环境变化引起的功率损耗，实现最大功率点处电压的快速、稳定地精确跟踪。

【技术实现步骤摘要】
一种光伏系统最大功率点跟踪优化方法
本专利技术涉及清洁能源的开发及利用的
，尤其对于提高太阳能的利用率及光伏系统的发电效率具有重要的意义。
技术介绍
随着环境和能源压力的日益增加，清洁能源的开发和利用逐渐成为主流，其中太阳能凭借其取之不尽，用之不竭且无污染的优势在新能源发电领域脱颖而出。但其主要存在的问题是太阳能发电的效率问题，由于外界环境时刻处于动态变化中，光伏阵列的输出功率也随之改变，因此解决该问题的主要途径之一就是进行最大功率点跟踪。针对最大功率点跟踪问题，国内外学者已得出很多的研究成果，像经典的恒定电压法、扰动观测法、电导增量法、模糊控制法等。这些最大功率点跟踪方法可以实现动态寻优，但均存在一些弊端，需要通过算法进行进一步的优化。其中恒定电压法由于其结构简单，易于实现，系统工作电压具有良好的稳定性等优点得到了广泛应用，但其忽略了很多外部条件，结果不够准确，为克服其不足，我们使用本专利技术对其进行优化。本专利技术通过将原问题转化为拉格朗日函数，通过求解一系列子问题并通过改进的Armijo准则进行搜索，获得补偿因子来求出新的迭代点进而解得原问题的最优解。用该算法来优化恒定电压法并将其应用于最大功率点跟踪，可在光辐射度和环境温度变化的条件下实现最大功率点稳定地精确跟踪。
技术实现思路
为解决目前经典最大功率点跟踪方法中存在的问题，本专利技术提出了一种优化的恒定法实现最大功率点跟踪的方法。该方法保留了经典恒压控制法简单易实现且实现稳定的优点，同时能够考虑外部环境的变化，进行准确地动态寻优，实现稳定精确跟踪最大功率点的目标，提高光伏系统的发电效率。为达到以上目的，本专利技术是采取如下技术方案予以实现的：一种光伏系统最大功率点跟踪优化方法包括如下步骤：首先，根据光伏电池等效电路得出光伏阵列数学模型，构建目标函数及约束函数；其次，根据目标函数和约束函数建立拉格朗日函数，然后对拉格朗日函数进行求解，确定其搜索方向及拉格朗日乘子；再次，由改进的Armijo准则进行搜索，确定最大功率点处电压的补偿因子，由此即可计算出新的迭代点；最后，若电压的收敛判别不满足终止条件则对Hessian矩阵进行更新，继续迭代，直到得出最大功率点处的最优电压解。上述光伏系统最大功率点跟踪优化方法具体包括下述步骤：步骤一，在考虑外界环境变化条件下，根据光伏电池的等效电路，构建光伏阵列模型，其电流模型如下所示：其中，I、U分别为一定环境条件下光伏阵列的电流和电压，Isc为短路电流，Uoc为开路电压，Np为光伏组件并联数目，Ns为光伏组件串联数目，ΔU、ΔI分别为辐射照度和温度变化下的电压、电流的变化,φ2＝(Um/Uoc-1)/ln(1-Im/Isc)，式中Im、Um分别为光伏阵列工作在最大功率点处的电流值和电压值；步骤二，将光伏阵列的输出功率表达式作为目标函数，即：其中，f为光伏阵列的输出功率，在约束条件较为g:U＞0时，建立拉格朗日函数L(U,λ)如下所示：其中λ为拉格朗日乘子，g(U)为约束条件表达式；步骤三，对以上的拉格朗日函数利用进行求解，其中dk为搜索方向，Hk为第k次搜索的Hessian矩阵的正定拟牛顿近似，由此确定第k次搜索的方向d和拉格朗日乘子λ；步骤四，根据改进的Armijo准则进行一维搜索，即建立关于θ的目标函数如下所示：其中ρθ保证使目标函数F充分减小，η为收缩因子(0＜η＜1)；步骤五，若F(θi+δi)＜F(θ)，则有θi+1＝θi+δi，增加步长δi+1＝γδi，转步骤六；若F(θi-δi)＜F(θ)，则有θi+1＝θi-δi，缩小步长δi+1＝ηδi，转步骤六；否则，θi+1＝θi；步骤六，若δi+！＜ε或者循环计数i＞imax，则转步骤七；否则i＝i+1，转步骤五；步骤七，根据μ＝θi+1确定最大功率点处电压的补偿因子由此计算出新的迭代点步骤八，若满足收敛终止条件|Uk+1-Uk|≤ε，或者达到最大迭代次数k＞Imax，则Uk+1即为光伏阵列最大功率点处的最优电压解，跟踪优化过程结束；否则进行步骤九；步骤九，更新Hessian矩阵，其更新方法如下所示：其中sk＝Uk+1-Uk，符号表示梯度；然后令k＝k+1，转步骤三。与经典控制方法相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：1、本专利技术结合拉格朗日函数子问题求解和非精确一维搜索方法，能快速找到最大功率点位置，动态响应速度快。2、本专利技术采用改进的Armijo准则进行搜索，使得一维搜索的速度更快，所以在求解光伏发电系统输出功率动态模型时具有良好的收敛性。3、将本专利技术与经典恒压法相结合来实现最大功率点跟踪，不仅简单易行，且能避免陷入局部最优，达到稳定地、精确地跟踪最大功率点的目的。4、本专利技术可弥补经典最大功率点跟踪方法忽略外部条件变化、在最大功率点处易振荡、且实现复杂等问题。本专利技术可减小外部环境变化引起的功率损耗，实现最大功率点处电压的快速、稳定地精确跟踪。为了更清楚的理解本专利技术，以下结合附图对本专利技术作进一步的详细说明。附图说明图1为本专利技术方法的步骤流程图；图2为本专利技术方法实施例的总体框图；图3为本专利技术方法实施例中光伏电池输出特性曲线图；图4为本专利技术方法实施例的MATLAB/Simulink仿真控制模型图；图5为本专利技术方法实施例的最大功率点智能跟踪效果图。具体实施方式如图1所示(其中图1中大写的Y是YES的缩写，代表满足所属条件的情况；大写的N是NO的缩写，代表不满足所属条件的情况)，一种光伏系统最大功率点跟踪优化方法，包括下述步骤：步骤一，在考虑外界环境变化条件下，根据光伏电池的等效电路，构建光伏阵列模型，其电流模型如下所示：其中，I、U分别为一定环境条件下光伏阵列的电流和电压，Isc为短路电流，Uoc为开路电压，Np为光伏组件并联数目，Ns为光伏组件串联数目，ΔU、ΔI分别为辐射照度和温度变化下的电压、电流的变化，φ2＝(Um/Uoc-1)/ln(1-Im/Isc)，式中Im、Um分别为光伏阵列工作在最大功率点处的电流值和电压值；步骤二，将光伏阵列的输出功率表达式作为目标函数，即：其中，f为光伏阵列的输出功率，在约束条件较为g:U＞0时，建立拉格朗日函数L(U,λ)如下所示：其中λ为拉格朗日乘子，g(U)为约束条件表达式；步骤三，对以上的拉格朗日函数利用进行求解，其中dk为搜索方向，Hk为第k次搜索的Hessian矩阵的正定拟牛顿近似，由此确定第k次搜索的方向d和拉格朗日乘子λ；步骤四，根据改进的Armijo准则进行一维搜索，即建立关于θ的目标函数如下所示：其中ρθ保证使目标函数F充分减小，η为收缩因子(0＜η＜1)；步骤五，若F(θi+δi)＜F(θ)，则有θi+1＝θi+δi，增加步长δi+1＝γδi，转步骤六；若F(θi-δi)＜F(θ)，则有θi+1＝θi-δi，缩小步长δi+1＝ηδi，转步骤六；否则，θi+1＝θi；步骤六，若δi+！＜ε或者循环计数i＞imax，则转步骤七；否则i＝i+1，转步骤五；步骤七，根据μ＝θi+1确定最大功率点处电压的补偿因子由此计算出新的迭代点步骤八，若满足收敛终止条件|Uk+1-Uk|≤ε，或者达到最大迭代次数k＞Imax，则Uk+1即为光伏阵列最大功率点处的最优电压解，跟踪优化过程结束；否则进行步骤九；步骤九，更新Hessia本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光伏系统最大功率点跟踪优化方法，其特征在于：首先，根据光伏电池等效电路得出光伏阵列数学模型，构建目标函数及约束函数；其次，根据目标函数和约束函数建立拉格朗日函数，然后对拉格朗日函数进行求解，确定其搜索方向dk及拉格朗日乘子λk；再次，由改进的Armijo准则进行搜索，确定最大功率点处电压的补偿因子由此即可计算出新的迭代点；最后，若电压的收敛判别不满足终止条件则对Hessian矩阵进行更新，继续迭代，直到得出最大功率点处的最优电压解。

【技术特征摘要】
1.一种光伏系统最大功率点跟踪优化方法，其特征在于：其具体包括下述步骤：步骤一，在考虑外界环境变化条件下，根据光伏电池的等效电路，构建光伏阵列模型，其电流模型如下所示：其中，I、U分别为一定环境条件下光伏阵列的电流和电压，Isc为短路电流，Uoc为开路电压，Np为光伏组件并联数目，Ns为光伏组件串联数目，△U、△I分别为辐射照度和温度变化下的电压、电流的变化,φ2＝(Um/Uoc-1)/ln(1-Im/Isc)，式中Im、Um分别为光伏阵列工作在最大功率点处的电流值和电压值；步骤二，将光伏阵列的输出功率表达式作为目标函数，即：其中，f为光伏阵列的输出功率，在约束条件较为g:U>0时，建立拉格朗日函数L(U,λ)如下所示：其中λ为拉格朗日乘子，g(U)为约束条件表达式；步骤三，对以上的拉格朗日函数...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑伟，智勇，拜润卿，梁福波，李养俊，陈仕彬，乾维江，郝如海，张彦凯，高磊，邢延东，祁莹，魏乔，章云，
申请(专利权)人：国网甘肃省电力公司电力科学研究院，国网甘肃省电力公司，国家电网公司，西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62