一种基于SQP信赖域算法的光伏单峰MPPT方法

摘要

针对现有的事先给定步长因子的光伏单峰MPPT方法不能保证在多种运行条件下的适应性；而现有自适应步长因子的变步长MPPT方法中含有复杂的数学运算，会导致硬件成本较高的问题。本发明提出了一种基于SQP信赖域算法的光伏单峰MPPT方法，该方法利用SQP信赖域算法自适应地求取MPPT控制的步长因子，且方法中只包含四则运算，降低了方法的复杂程度和硬件成本。本发明能够低成本地实现光伏单峰MPPT控制，且具有较好的动态响应能力，提高了光伏发电的效率。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电领域，特别是涉及一种基于SQP信赖域算法的 光伏单峰MPPT方法。

背景技术

MPPT是提高光伏发电系统运行效率的常用方法。在局部阴影条件下，光伏 阵列的P-U曲线可能呈现多峰值特性，按照是否具有应对多峰值问题的能力，光 伏MPPT方法分为单峰MPPT方法和多峰MPPT方法两类。虽然在局部阴影条 件下单峰MPPT方法可能会陷入局部功率极大值点而失效。然而，单峰MPPT 方法仍具有十分重要的意义：一方面，多峰MPPT方法在搜索到全局最大功率点 附近后，仍需依赖单峰MPPT方法实现最大功率点的局部跟踪；另一方面，微逆 技术和模块化多电平换流器技术的发展也扩大了单峰MPPT方法的适用范围。

常用的扰动观察法和电导增量法采用定步长跟踪最大功率点，但这类方法存 在步长选取的矛盾：选取大步长，能获得较好的动态响应能力，但会降低稳态运 行效率；选取小步长，能提高稳态运行效率，但其动态响应能力会下降。为解决 这一矛盾，主要有模糊逻辑控制和梯度法两种变步长方案。由于模糊逻辑控制需 要进行模糊集、隶属函数形状以及控制规则表等设计环节，设计难度较大，因此 目前相关研究主要集中于基于梯度法的变步长MPPT方法。

在梯度法中，下一步的步长由当前运行点输出功率对电压的导数乘上一个步 长因子获得，其中步长因子是一个重要参数：步长因子过大会导致参考电压收敛 很慢甚至不收敛，而步长因子过小则会使动态响应能力降低。选取步长因子的方 法主要有事先设定和自适应两种。事先设定步长因子的方法应用较为简单，但由 于光伏组件的P-U曲线会随着运行条件的改变而改变，因此事先设定的步长因子 难以保证在各种运行条件下都能获得较好的性能；而自适应步长因子方法含有反 三角函数等复杂的数学运算，可能会增大硬件成本。

发明内容

本发明提出了一种基于SQP(序列二次规划)信赖域算法的光伏单峰MPPT 方法，以解决现有事先设定步长因子的变步长MPPT方法不能保证在多种运行条 件下的适应性，而现有自适应步长因子的变步长MPPT方法又含有较为复杂的数 学运算，会增大硬件成本的问题。

本发明的技术方案如下：

一种基于SQP信赖域算法的光伏单峰MPPT方法，包括以下步骤：

S1：初始化光伏阵列组件的电压U_ref⁽⁰⁾和信赖域半径r⁽⁰⁾，测量初始输出功率>(0)和输出功率P⁽⁰⁾对电压U_ref⁽⁰⁾的一阶导数g⁽⁰⁾；

S2：初始化输出功率P⁽⁰⁾对电压U_ref⁽⁰⁾的二阶导数B⁽⁰⁾，通过所述的输出功率>(0)，所述的输出功率P⁽⁰⁾对电压U_ref⁽⁰⁾的二阶导数B⁽⁰⁾和所述>(0)计算所述的初始电压试探步长d⁽⁰⁾，同时初始化迭代次数标记>

S3：更新所述的电压U_ref，再次测量当前所述的输出功率P；

S4：判断所述的输出功率P是否满足终止条件，若所述的输出功率P满足终 止条件，则维持当前所述的电压U_ref，方法终止；若所述的输出功率不满足终止>

S5：计算评价函数ρ；

S6：通过比较评价函数的值ρ与预设值ε₂进行如下判断，其中ε₂为正数，若>(k)≥ε₂，则测量当前的输出功率P对电压U_ref的一阶导数g，并更新所述的输出>ref的二阶导数B；若ρ^(k)＜ε₂，则令所述的电压U_ref等于更新前的>ref、输出功率P等于更新前的输出功率P、输出功率P对电压U_ref的>ref的一阶导数g和输出功率P对电>ref的二阶导数B等于更新前的输出功率P对电压U_ref的二阶导数B；

S7：通过所述的评价函数值ρ更新所述的信赖域半径r；

S8：由输出功率P对电压U_ref的一阶导数g、二阶导数B和新的信赖域半径>

本发明通过利用SQP信赖域算法自适应地求取MPPT控制的步长因子，不 断地通过调整电压步长d，使得电压至不断变化，导致功率不断“追踪”最大功 率值，最终当两者的差距小于某一个预设值ε₁时，流程结束。

在一种优选的方案中，所述的S1中初始化光伏阵列组件的电压U_ref⁽⁰⁾＝40V，>(0)＝3V和所述的S2中初始化输出功率P对电压U_ref的二阶导>(0)＝-1。

在一种优选的方案中，所述的S2和S8中所述的电压试探步长d通过以下公 式进行求取：

式中，r^(k)表示第k次迭代中的信赖域半径，g^(k)表示第k次迭代中输出功>(k)表示第k次迭代中输出功率对电压的二阶导数。

在一种优选的方案中，所述的S3中更新所述的电压U_ref通过以下公式进行>

式中，表示第k次迭代的电压。

在一种优选的方案中，所述的S4中所述的终止条件通过以下公式表示：

|P^(k)-P^(k-¹⁾|＜ε₁

式中，P^(k)表示第k次迭代中的输出功率，ε₁的取值范围是0.01W≤ε₁≤1W。

在一种优选的方案中，所述的S5中所述的评价函数通过以下公式进行求取：

式中，ρ^(k)表示第k次迭代中的评价结果。

在一种优选的方案中，所述的S6中的ε₂＝0.25。

在一种优选的方案中，所述的S6中输出功率P对电压U_ref的二阶导数B通>

式中，B^(k+1)表示第k+1次迭代中输出功率对电压的二阶导数。

在一种优选的方案中，所述的S6中所述的电压U_ref等于更新前的所述的电>ref、输出功率P等于更新前的输出功率P、输出功率P对电压U_ref的一阶导数>ref的一阶导数g和输出功率P对电压U_ref的>ref的二阶导数B通过以下公式进行>

式中，表示更新前的电压，P^(k-1)表示更新前的输出功率，g^(k-1)表示更>(k-1)表示更新前的输出功率对电压的二阶导>(k)表示当前的输出功率，g^(k)表示当前的功率对电压>(k)表示当前的功率对电压的二阶导数。

在一种优选的方案中，所述的S7中所述的信赖域半径r通过以下公式进行>

式中，r_max为信赖域半径上限，r_max＝3V，ε₃＝0.75。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明除比较判断外，只包括简单的四则运算，降低了方法的复杂程度；利 用SQP信赖域算法自适应地求取步长因子，保证在各种运行条件下都能获得较 好的性能。

附图说明

图1为实施例方法流程图。

图2为标准测试条件下本案实施例1与对比实施例2、对比实施例3的电压波形。 图3为标准测试条件下本案实施例1与对比实施例2、对比实施例3的功率波形。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理 解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1的方法执行步骤示意图如附图1所示，包括如下步骤：

一种基于SQP信赖域算法的光伏单峰MPPT方法，包括以下步骤：

S1：初始化光伏阵列组件的电压U_ref⁽⁰⁾＝40V和信赖域半径r⁽⁰⁾＝3V，测量初>(0)和输出功率P⁽⁰⁾对电压U_ref⁽⁰⁾的一阶导数g⁽⁰⁾；

S2：初始化输出功率P⁽⁰⁾对电压U_ref⁽⁰⁾的二阶导数B⁽⁰⁾＝-1，通过输出功率对>(0)，输出功率P⁽⁰⁾对电压U_ref⁽⁰⁾的二阶导数B⁽⁰⁾和信赖域半径r⁽⁰⁾计算初始电压试探步长d⁽⁰⁾，同时初始化迭代次数标记k＝1；

S3：更新电压U_ref，再次测量当前输出功率P；

S4：判断输出功率P是否满足|P^(k)-P^(k-1)|＜ε₁，若输出功率P满足>(k)-P^(k-1)|＜ε₁，则维持当前电压U_ref，方法终止；若输出功率P不满足>(k)-P^(k-1)|＜ε₁，则进行S5，其中，ε₁＝0.01W。

S5：计算评价函数ρ，ρ通过以下公式进行求取：

式中，ρ^(k)表示第k次迭代中的评价结果。

S6：通过比较评价函数的值ρ与预设值ε₂进行如下判断，其中ε₂＝0.25，若>k)≥ε₂，则测量当前的输出功率P对电压U_ref的一阶导数g，并更新输出功率P>ref的二阶导数B；若ρ^(k)＜ε₂，则令电压U_ref等于更新前的电压U_ref、输出>ref的一阶导数g等于更新前>ref的一阶导数g和输出功率P对电压U_ref的二阶导数B等>ref的二阶导数B；

S7：通过评价函数值ρ更新信赖域半径r；

S8：由输出功率P对电压U_ref的一阶导数g、二阶导数B和新的信赖域半径>

S2和S8中电压试探步长d通过以下公式进行求取：

式中，r^(k)表示第k次迭代中的信赖域半径，g^(k)表示第k次迭代中输出功率>(k)表示第k次迭代中输出功率对电压的二阶导数。

S3中更新电压U_ref通过以下公式进行求取：

式中，表示第k次迭代的电压。

S6中若ρ^(k)≥ε₂，输出功率P对电压U_ref的二阶导数B通过以下公式进行求取：

式中，B^(k)表示第k次迭代中输出功率对电压的二阶导数。

S6中若ρ^(k)<ε₂，电压U_ref等于更新前的电压U_ref、输出功率P等于更新前的>ref的一阶导数g等于更新前的输出功率P对电压>ref的一阶导数g和输出功率P对电压U_ref的二阶导数B等于更新前的输出功率>ref的二阶导数B通过以下公式进行求取：

式中，表示更新前的电压，P^(k-1)表示更新前的输出功率，g^(k-1)表示更>(k-1)表示更新前的输出功率对电压的二阶导>(k)表示当前的输出功率，g^(k)表示当前的功率对电压>(k)表示当前的功率对电压的二阶导数。

S7中信赖域半径r通过以下公式进行求取：

式中，r_max为信赖域半径上限，r_max＝3V，ε₃＝0.75。

实施例2：采用基于切线角的变步长MPPT方法。

实施例3：采用定步长因子的变步长MPPT方法。

实施例1～3采用型号为SPR-300E-WHT-D的光伏组件。该型号光伏组件在 温度25℃且光照强度分别为200W/m²、400W/m²和1000W/m²时的最大功率点电>2，温度分别为35℃和45℃时的最大功率点电压>

|P^(k)-P^(k-1)|＜0.01W

在标准测试条件(25℃，1000W/m²)下所得的参考电压波形和输出功率波>

五种温度和光照的运行条件下实施例1～3的测试结果见表格1。表格1中， 时间是指从MPPT控制开始至达到终止条件所消耗的时间，电压和输出功率分别 指达到终止条件时光伏组件的输出电压和输出功率，能量是指从MPPT控制开始 至达到终止条件时光伏阵列能够输出的电能总量最大值与实际输出的电能总量 之差。

分析实施例测试结果，可得如下结论：

对比同一实施例在不同条件下的测试结果，可知本发明方法(实施例1)能适 应不同光照强度以及温度条件。

对比相同运行条件下不同实施例的测试结果，可知本发明方法(实施例1)在 各运行条件下的动态响应能力均优于其他方法(实施例2和实施例3)，达到最 大功率点的时间最短，造成的电能损失更小，能够提高光伏发电的效率。附图中 描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非 是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明 的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施 方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

表格1实施例测试结果