基于模糊PI双向线性预测的光伏MPPT控制方法

摘要

本发明公开了一种基于模糊PI双向线性预测的光伏MPPT控制方法，包括如下步骤：（1）获取光伏电池的功率-电压特性曲线，利用特性曲线的切线进行双向线性预测，逼近最大功率点，计算得到近似最大功率点；（2）在近似最大功率点的基础上，利用扰动观察法跟踪实际最大功率点，计算误差e(k)和误差变换Δe(k)，其中，Δe(k)＝e(k)-e(k-1)，k为周期，P为功率，u为电压；（3）将误差e(k)和误差变换Δe(k)作为模糊控制器的输入，模糊控制器采用Mamdani模糊推理方法，以输出功率能快速到达给定值为目标，建立模糊控制规则，实现最大功率点跟踪。该方法有效解决了传统MPPT控制方法无法兼顾跟踪速度与计算精度的问题，能够快速准确地对最大功率点进行跟踪，简单实用。

说明书

技术领域

本发明属于光伏发电技术领域，更具体地，涉及一种基于模糊PI双向 线性预测的光伏MPPT控制方法。

背景技术

由于石油等常规能源的日益缺乏，太阳能作为一种可再生能源，而且 储量充足，越来越受到关注，光伏发电是利用太阳能的主要方式之一。但 目前光伏电池存在转换效率偏低、易受天气影响等缺陷，严重限制了太阳 能的大规模推广应用。因此，如何有效增加太阳能电池的输出功率，从而 充分利用太阳能，是光伏研究的一个重要方向。

光伏电池的输出电压和输出电流随日照强度和电池结温的变化具有强 烈的非线性。在一定的太阳光照强度和环境温度下，光伏电池可以工作在 不同的输出电压，但是只有在某一输出电压时，光伏电池的输出功率才能 达到最大值，这时光伏电池的工作点就达到了输出功率-电压曲线的最高点， 称之为最大功率点（Maximum Power Point,MPP）。因此，在光伏发电系统 中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工 作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大功率点跟 踪（Maximum Power Point Tracking,MPPT）。

目前，MPPT控制方法主要包括闭环控制法和基于输出特性的开环控制 法。其中，闭环控制法主要有扰动观察法(P&O)和电导微增率法(INC)。扰 动观察法因其简单实用的特点而被广泛运用，但搜索速度慢且存在振荡及 误判等问题。电导微增率法虽然精度较高，但搜索速度依然较慢。常见的 基于输出特性的开环控制法有定电压跟踪法，它具有快速简单的特点，但 是跟踪精度较差。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于模糊PI 双向线性预测的光伏MPPT控制方法，有效解决了传统MPPT控制方法无 法兼顾跟踪速度与计算精度的问题，能够快速准确地对最大功率点进行跟 踪，简单实用。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光伏MPPT控 制方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）获取光伏电池的功率-电压特性 曲线，利用特性曲线的切线进行双向线性预测，逼近最大功率点，计算得 到近似最大功率点；（2）在近似最大功率点的基础上，利用扰动观察法跟 踪实际最大功率点，计算误差e(k)和误差变换Δe(k)，其中， Δe(k)=e(k)-e(k-1)，k为周期，P为功率，u为 电压；（3）将误差e(k)和误差变换Δe(k)作为模糊控制器的输入，模糊控制 器采用Mamdani模糊推理方法，以输出功率能快速到达给定值为目标，建 立模糊控制规则，实现最大功率点跟踪。

优选地，所述步骤（1）进一步包括如下步骤：（1-1）在功率-电压特 性曲线上任取两点A(U_L,P(U_L))和B(U_R,P(U_R))，使得U_L∈[0,U_m]、 U_R∈[U_m,U_OC]，其中，U_m为最大功率点对应的电压，U_OC为开路电压；（1-2） 分别过A和B作功率-电压特性曲线的切线，交点为O；（1-3）将功率-电 压特性曲线上与O点横坐标相同的点作为近似最大功率点；（1-4）当光强 发生较大变化，导致功率变化量ΔP大于阈值T时，返回步骤（1-1），否则， 顺序执行步骤（2）。

优选地，所述步骤（3）中，根据误差e(k)和误差变换Δe(k)确定PI参 数K_P和K_I。

优选地，模糊集合为{PB,PS,ZE,NS,NB}，模糊控制规则如下：

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有 以下有益效果：

1、根据光伏PV曲线的恒压恒流区特性，用两个单点Hermite插值近 似替代光伏PV曲线，对PV曲线的预测精度更高。

2、通过双向线性预测，极大地提高了最大功率跟踪的速度。适用于不 同填充因子的光伏电池。

附图说明

图1是本发明实施例的基于模糊PI双向线性预测的光伏MPPT控制方 法流程图；

图2是双向线性预测示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

如图1所示，本发明实施例的基于模糊比例积分（PI）双向线性预测的 光伏MPPT控制方法包括如下步骤：

（1）获取光伏电池的功率-电压特性曲线，利用特性曲线的切线进行双 向线性预测，逼近最大功率点，计算得到近似最大功率点。进一步包括如 下步骤：

（1-1）如图2所示，在光伏电池的功率-电压特性曲线P(u)上任取两点 A(U_L,P(U_L))和B(U_R,P(U_R))，使得U_L∈[0,U_m]、U_R∈[U_m,U_OC]，其中，U_m为最大功率点对应的电压，U_OC为开路电压。

（1-2）分别过A和B作功率-电压特性曲线的切线OA和OB，O为 OA和OB的交点。OA和OB的斜率分别为P′(U_L)和P′(U_R)，其中，P′(U_L)>0， P′(U_R)<0。OA和OB与横轴的夹角分别为θ_L和θ_R，其中，0°<θ_L<90°， 0°<θ_R<90°。

具体地，OA和OB可分别用如下方程表示：

$\left(\begin{array}{c}{H}_{\mathrm{OA}}\left(u\right)=P^{\prime }\left(U_L\right)\times (u-U_L)+P\left(U_L\right)\\ H_{\mathrm{OB}}\left(u\right)=P^{\prime }\left(U_R\right)\times (u-U_R)+P\left(U_R\right)\end{array}\right)---\left(1\right)$

（1-3）将光伏电池的功率-电压特性曲线上与O点横坐标U_o相同的点 C作为近似最大功率点。

其中，线性预测的绝对误差E_abs=|H_OA(U_O)-P(U_O)|为OC的长度，剩余搜 索范围E_rest=|U_o-U_m|为近似最大功率点C与实际最大功率点D的横坐标差 值的绝对值。

构造辅助函数或 具体地，以切线OA为例， E(U_L)=P(U_L)-H_OA(U_L)=0且E′(U_L)=P′(U_L)-H′_OA(U_L)=0，线性预测误差 E(u)=λ(u)·(u-U_L)²，其中，λ(u)为待定系数。构造辅助函数

根据Rolle定理，存在u=ξ，使得结合式 （1）得到双向线性预测的误差为：

$E\left(u\right)=\frac{P^{\prime \prime }\left(\xi \right)}{2}\times {\left[\frac{P\left(U_R\right)-P\left(U_L\right)+P^{\prime }\left(U_L\right)\times (U_L-U_R)}{P^{\prime }\left(U_L\right)-P^{\prime }\left(U_R\right)}\right]}^2$

（1-4）当光强发生较大变化，导致功率变化量ΔP大于阈值T时，返 回步骤（1-1），以减少搜索时间；若变化小于该阈值，则顺序执行步骤（2）。

（2）在近似最大功率点C的基础上，利用扰动观察法跟踪实际最大功 率点，计算误差e(k)和误差变换Δe(k)，其中，k为周期， $e\left(k\right)=\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{du}}=\frac{P\left(k\right)-P(k-1)}{u\left(k\right)-u(k-1)},$Δe(k)=e(k)-e(k-1)。

（3）将误差e(k)和误差变换Δe(k)作为模糊控制器的输入，模糊控制器 采用Mamdani模糊推理方法，以输出功率能快速到达给定值为目标，建立 模糊控制规则，实现最大功率点跟踪。

具体地，根据误差e(k)和误差变换Δe(k)确定PI参数K_P和K_I，模糊集 合为{PB,PS,ZE,NS,NB}，模糊控制规则如表1所示。

表1模糊控制规则

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。