基于fir濾波器預(yù)測的mppt滯環(huán)控制算法
【專利摘要】一種基于FIR濾波器預(yù)測的MPPT滯環(huán)控制算法，涉及MPPT算法【技術(shù)領(lǐng)域】，本發(fā)明基于FIR濾波器預(yù)測的MPPT滯環(huán)控制算法，是在常規(guī)擾動觀測法的基礎(chǔ)上，加入滯環(huán)控制和自適應(yīng)預(yù)測機(jī)制，在預(yù)測下一時刻的光伏陣列輸出功率的基礎(chǔ)上，通過擾動規(guī)則的判定，確定擾動方向，在提高了跟蹤速度上同時兼顧了控制系統(tǒng)的精度，并減少了損耗。新型的算法能夠彌補(bǔ)常規(guī)擾動觀測法在跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度上的不足，達(dá)到快速穩(wěn)定地實(shí)施MPPT控制，并大大減少了在最大功率點(diǎn)的震蕩和誤判，此外，此算法控制簡單，易于軟件編程實(shí)現(xiàn)。
【專利說明】基于FIR濾波器預(yù)測的MPPT滯環(huán)控制算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及MPPT算法【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于FIR濾波器預(yù)測的MPPT滯環(huán)控制算法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，通常用到的MPPT算法有擾動觀察法、模糊控制法。擾動觀察法也稱為爬山法，它的基本思想是:首先擾動光伏電池的輸出電壓，然后觀測光伏電池輸出功率的變化，根據(jù)功率變化的趨勢連續(xù)改變擾動電壓方向。由于實(shí)際檢測和控制精度的限制，而電壓擾動的步長一定，那么一定會出現(xiàn)震蕩問題，又由于外部環(huán)境是時刻變化的，光伏電池的P-U特性曲線時刻變化，就有可能發(fā)生誤判。模糊控制是以模糊集合理論為基礎(chǔ)的一種新興的控制手段，它的基本思想是:系統(tǒng)將采樣得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過運(yùn)算，判定出工作點(diǎn)與最大功率點(diǎn)之間的位置關(guān)系，自動校正工作點(diǎn)電壓值，使工作點(diǎn)趨于最大功率點(diǎn)。模糊控制過程需要采樣得到數(shù)據(jù)，然后計(jì)算，再模糊化、模糊推理運(yùn)算、清晰化，最后再得出結(jié)果，此方法過程比較復(fù)雜，需要較高運(yùn)算速度的CPU，模糊化的語言變量選取要適當(dāng)，清晰化的的計(jì)算比較發(fā)雜，所以在實(shí)際應(yīng)用中較難實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種基于FIR濾波器預(yù)測的MPPT滯環(huán)控制算法，不僅追蹤速度、控制精度和誤判和震蕩優(yōu)于現(xiàn)有的擾動觀測法，而且本方法易于編程實(shí)現(xiàn)。 [0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0005]一種基于FIR濾波器預(yù)測的MPPT滯環(huán)控制算法，
[0006]I)首先根據(jù)自適應(yīng)預(yù)測機(jī)制原理，設(shè)定
[0007]y (η)為期望輸出；
[0008]v(/7) ^.r(/7 + l)為預(yù)測計(jì)算結(jié)果；
[0009]e(n)為期望輸出與預(yù)測計(jì)算結(jié)果之間的誤差，即:= v(?)-.v(/7).[0010]2)自適應(yīng)調(diào)整
[0011]預(yù)測器的系數(shù)向量決定了自適應(yīng)機(jī)制的預(yù)測精度，因此為了保證預(yù)測算法對系統(tǒng)時變性和環(huán)境不確定性的適應(yīng)，必須對預(yù)測器系數(shù)在線滾動優(yōu)化，即系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整；
[0012]所謂預(yù)測器系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整就是根據(jù)預(yù)測誤差，采取一定準(zhǔn)則在線優(yōu)化系數(shù)，一般采用的優(yōu)化準(zhǔn)則是以預(yù)測誤差的均方值最小為基準(zhǔn)，典型代表為LMS算法:
[0013](//) ^[ v(/7)- v(//)]2，定義 ε (η)為 e2 (η)的期望值，即均方誤差:ε (η)=
E[e2(n)]；
[0014]代入可得:ε(η) = E[y (η)-Η/ ΝΧΝ (η) ]2 (I)[0015]為了使ε (η)最小，須求出一組hk (η) (k = O, I,…，N_l)，使其滿足要求；
[0016]可通過對式ε (n) =E[y(n)_H' ΝΧΝ (η) ]2采用微分置零法得到N個方程，求解可
得預(yù)測器系數(shù):K = rJnPn.[0017]式中，pN:y(n)與X(η)的互相關(guān)量Ann:Χ(η)的自相關(guān)矩陣；
[0018]up:pN = E [y (η) X (η) ], Rnn = E [X (η) X; Ν(η)]；
[0019]一般來講，預(yù)測器的系數(shù)調(diào)整可由上式獲得，但當(dāng)N較大時，計(jì)算量較大，不利于數(shù)字處理器上編程實(shí)現(xiàn)。
[0020]實(shí)際應(yīng)用中，可采用遞推方式進(jìn)行求解，常用最陡梯度法:
[0021]Hn (n+1) = Hn (η)+2 μ [pN-R麗Hn (η)],
[0022]式中，μ:步長因子，其大小影響每次迭代在最陡方向行進(jìn)長度；
[0023]可證明，只要μ取值恰當(dāng)，從任何％(0)出發(fā)，總能使預(yù)測器系數(shù)收斂至.[0024]但是采用這種迭代法計(jì)算使均方誤差最小的預(yù)測器系數(shù)向i Hs時，仍需計(jì)算pN和rnn，存在較復(fù)雜的矩陣運(yùn)算；
[0025]因此，為了減少計(jì)算量，Widrow提出了一種有效的簡化方法，并推導(dǎo)出最陡梯度迭代法的近似實(shí)現(xiàn)形式:Hn (n+1) = Hn (η) +2 μ e (η) Xn (η)。
[0026]這就是Widrow-HofTLMS算法，在對預(yù)測器系數(shù)進(jìn)行初值設(shè)置后，就可以通過在線更新迭代，使誤差均方值 最?。?br> [0027]根據(jù)上述描述的自適應(yīng)預(yù)測機(jī)制，設(shè)計(jì)出基于FIR模型的自適應(yīng)預(yù)測算法步驟為:
[0028]I)根據(jù)具體應(yīng)用對象，初始化Hn (O), μ ；
[0029]2)輸入信號經(jīng)過自適應(yīng)預(yù)測機(jī)制，輸出_1如+ 1).[0030]3)信號+1)經(jīng)過一個延時環(huán)節(jié)ζ_\輸出⑷.[0031]4)計(jì)算K") = J(")_.v(").5、計(jì)算 HN(n+l) = Hn(η)+2 μ e (η)Xn(η)。
[0032]至此一次滾動優(yōu)化計(jì)算完成，新的迭代計(jì)算周期到來時，返回第二步，開始新的滾動優(yōu)化計(jì)算；
[0033]在滯環(huán)控制中，PA為當(dāng)前時刻光伏陣列輸出功率，PB為預(yù)測到的下一時刻最大點(diǎn)功率，PC為上一時刻光伏陣列輸出功率，
[0034]定義:PA>PC時，記為“ + ”，PB>PA時，記為“ + ”，反之均記做
[0035]通過三點(diǎn)之間功率的比較判斷，可以得出基于滯環(huán)的電壓擾動規(guī)則如下:
[0036]規(guī)則1:如果兩次擾動的功率比較均為“ + ”，則電壓保持原方向擾動；
[0037]規(guī)則2:如果兩次擾動的功率比較均為則電壓值反方向擾動；
[0038]規(guī)則3:如果兩次擾動的功率比較有“ + ”有可能已經(jīng)達(dá)到最大功率點(diǎn)或者外部輻照變化很快，則電壓不變；
[0039]設(shè)定P (η)為這一時刻光伏陣列輸出功率，P (n-Ι)為上一時刻光伏陣列的輸出功率，d(n)為輸出占空比；
[0040]輸入電壓信號經(jīng)過自適應(yīng)預(yù)測機(jī)制預(yù)測下一時刻的光伏陣列的輸出功率，進(jìn)入滯環(huán)控制判定擾動方向，從而確定占空比，占空比與三角波進(jìn)行比較后，生成驅(qū)動開關(guān)器件的PWM脈沖信號,實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)負(fù)載,最終實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制。
[0041]本發(fā)明結(jié)合了預(yù)測算法與滯環(huán)控制的MPPT算法，通過預(yù)測算法預(yù)測下一時刻最大功率點(diǎn)的功率，并通過滯環(huán)控制判定下一次擾動的方向，此方法提高了追蹤最大功率點(diǎn)的速度以及提聞了追蹤精度，減少在最大功率點(diǎn)位置的擾動。
[0042]本發(fā)明的有益效果是:
【專利附圖】

【附圖說明】
[0043]圖1為本發(fā)明自適應(yīng)預(yù)測機(jī)制的原理框圖；
[0044]圖2為本發(fā)明滯環(huán)控制輸出功率記錄圖；
[0045]圖3為本發(fā)明預(yù)測機(jī)制的MPPT控制框圖；
[0046]圖4為本發(fā)明軟件流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0047]為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的 技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0048]一種基于FIR濾波器預(yù)測的MPPT滯環(huán)控制算法，
[0049]I)首先根據(jù)自適應(yīng)預(yù)測機(jī)制原理，如圖1所示，設(shè)定
[0050]y (η)為期望輸出；
[0051]v(/?)、.v(fl + l)為預(yù)測計(jì)算結(jié)果；
[0052]e(n)為期望輸出與預(yù)測計(jì)算結(jié)果之間的誤差，即:K?) =.v(?)_.v(?).9
[0053]2)自適應(yīng)調(diào)整
[0054]預(yù)測器的系數(shù)向量決定了自適應(yīng)機(jī)制的預(yù)測精度，因此為了保證預(yù)測算法對系統(tǒng)時變性和環(huán)境不確定性的適應(yīng)，必須對預(yù)測器系數(shù)在線滾動優(yōu)化，即系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整；
[0055]所謂預(yù)測器系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整就是根據(jù)預(yù)測誤差，采取一定準(zhǔn)則在線優(yōu)化系數(shù)，一般采用的優(yōu)化準(zhǔn)則是以預(yù)測誤差的均方值最小為基準(zhǔn)，典型代表為LMS算法:
[0056]c (//) = [>’⑷-J⑷]2，定義ε (η)為e2(η)的期望值，即均方誤差:ε (η)=
E[e2(n)]；
[0057]代入可得:ε(η) = E[y (η)-Η/ ΝΧΝ (η) ]2 (I)
[0058]為了使ε (η)最小，須求出一組hk (η) (k = 0, I,…，N_l)，使其滿足要求；
[0059]可通過對式ε (n) =E[y(n)_H' ΝΧΝ (η) ]2采用微分置零法得到N個方程，求解可
得預(yù)測器系數(shù):H; = R^ps.[0060]式中，pN:y(n)與X(η)的互相關(guān)量；Rra:X(n)的自相關(guān)矩陣；
[0061]up:pN = E [y (η) X (η) ], Rnn = E [X (η) X; Ν(η)]；[0062]一般來講，預(yù)測器的系數(shù)調(diào)整可由上式獲得，但當(dāng)N較大時，計(jì)算量較大，不利于數(shù)字處理器上編程實(shí)現(xiàn)。
[0063]實(shí)際應(yīng)用中，可采用遞推方式進(jìn)行求解，常用最陡梯度法:
[0064]Hn (n+1) = Hn (η)+2 μ [pN_R麗Hn (η)],
[0065]式中，μ:步長因子，其大小影響每次迭代在最陡方向行進(jìn)長度；
[0066]可證明，只要μ取值恰當(dāng)，從任何!^(0)出發(fā)，總能使預(yù)測器系數(shù)收斂至.[0067]但是采用這種迭代法計(jì)算使均方誤差最小的預(yù)測器系數(shù)向量時，仍需計(jì)算ρΝ和rnn，存在較復(fù)雜的矩陣運(yùn)算；
[0068]因此，為了減少計(jì)算量，Widrow提出了一種有效的簡化方法，并推導(dǎo)出最陡梯度迭代法的近似實(shí)現(xiàn)形式:Hn (n+1) = Hn (η) +2 μ e (η) Xn (η)。
[0069]這就是Widrow-HoffLMS算法，在對預(yù)測 器系數(shù)進(jìn)行初值設(shè)置后，就可以通過在線更新迭代，使誤差均方值最??；
[0070]根據(jù)上述描述的自適應(yīng)預(yù)測機(jī)制，設(shè)計(jì)出基于FIR模型的自適應(yīng)預(yù)測算法步驟為:
[0071]I)根據(jù)具體應(yīng)用對象，初始Khn(O)、μ ；
[0072]2)輸入信號經(jīng)過自適應(yīng)預(yù)測機(jī)制，輸出ν(.〃 + I).[0073]3)信號+ 經(jīng)過一個延時環(huán)節(jié)Z4,輸出v(?);
[0074]4)計(jì)算K") = v(/?)-v(").5、計(jì)算 HN(n+l) = Hn(η)+2 μ e (η)Xn(η)。



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[0075]至此一次滾動優(yōu)化計(jì)算完成，新的迭代計(jì)算周期到來時，返回第二步，開始新的滾動優(yōu)化計(jì)算；
[0076]在滯環(huán)控制中，PA為當(dāng)前時刻光伏陣列輸出功率，PB為預(yù)測到的下一時刻最大點(diǎn)功率，PC為上一時刻光伏陣列輸出功率，
[0077]定義:PA>PC時，記為“ + ”，PB>PA時，記為“ + ”，反之均記做如圖2所示:
[0078]通過三點(diǎn)之間功率的比較判斷，可以得出基于滯環(huán)的電壓擾動規(guī)則如下:
[0079]規(guī)則1:如果兩次擾動的功率比較均為“ + ”，則電壓保持原方向擾動；
[0080]規(guī)則2:如果兩次擾動的功率比較均為則電壓值反方向擾動；
[0081]規(guī)則3:如果兩次擾動的功率比較有“ + ”有可能已經(jīng)達(dá)到最大功率點(diǎn)或者外部輻照變化很快，則電壓不變；
[0082]如圖3所不,設(shè)定p(n)為這一時刻光伏陣列輸出功率,p (n_l)為上一時刻光伏陣列的輸出功率，d(n)為輸出占空比；輸入電壓信號經(jīng)過自適應(yīng)預(yù)測機(jī)制預(yù)測下一時刻的光伏陣列的輸出功率，進(jìn)入滯環(huán)控制判定擾動方向，從而確定占空比，占空比與三角波進(jìn)行比較后，生成驅(qū)動開關(guān)器件的PWM脈沖信號，實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)負(fù)載，最終實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制。
[0083]如圖1所示，系統(tǒng)首先通過A/D單元檢測當(dāng)前的太陽能電池的輸出功率P (η)，以及上一時刻的太陽能電池輸出功率P (n-Ι)，然后進(jìn)入自適應(yīng)預(yù)測機(jī)制，預(yù)測下一時刻的太陽能電池的輸出功率P(n+1)，然后通過滯環(huán)控制規(guī)則比較前一時刻、當(dāng)前時刻、預(yù)測的下一時刻的太陽能電池功率之間的關(guān)系，得到擾動方向，然后相應(yīng)的加大、減小或者保持當(dāng)前占空比。
[0084]這種基于FIR濾波器預(yù)測的MPPT滯環(huán)控制算法，是在常規(guī)擾動觀測法的基礎(chǔ)上，加入滯環(huán)控制和自適應(yīng)預(yù)測機(jī)制，在預(yù)測下一時刻的光伏陣列輸出功率的基礎(chǔ)上，通過擾動規(guī)則的判定，確定擾動方向，在提高了跟蹤速度上同時兼顧了控制系統(tǒng)的精度，并減少了損耗。新型的算法能夠彌補(bǔ)常規(guī)擾動觀測法在跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度上的不足，達(dá)到快速穩(wěn)定地實(shí)施MPPT控制，并大大減少了在最大功率點(diǎn)的震蕩和誤判。此外，此算法控制簡單，易于軟件編程實(shí)現(xiàn)。
[0085]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.一種基于FIR濾波器預(yù)測的MPPT滯環(huán)控制算法，其特征在于: 1)首先根據(jù)自適應(yīng)預(yù)測機(jī)制原理，設(shè)定 y(n)為期望輸出； y(?)、yO + l)為預(yù)測計(jì)算結(jié)果； e(n)為期望輸出與預(yù)測計(jì)算結(jié)果之間的誤差，即:Κ?) =.ν(?)-.?.(?).2)自適應(yīng)調(diào)整 預(yù)測器的系數(shù)向量決定了自適應(yīng)機(jī)制的預(yù)測精度，因此為了保證預(yù)測算法對系統(tǒng)時變性和環(huán)境不確定性的適應(yīng)，必須對預(yù)測器系數(shù)在線滾動優(yōu)化，即系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整； 所謂預(yù)測器系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整就是根據(jù)預(yù)測誤差，采取一定準(zhǔn)則在線優(yōu)化系數(shù)，采用的優(yōu)化準(zhǔn)則是以預(yù)測誤差的均方值最小為基準(zhǔn)，采用LMS算法: P2⑷= [.ν⑷-.r(")]2，定義ε (η)為e2(n)的期望值，即均方誤差:ε (n) =E[e2(n)]；
代入可得:ε (n) = E[y (n) -H; NXN (n) ]2 為了使ε (n)最小，須求出一組hk(n) (k = 0，1，".，Ν-1)，使其滿足要求； 通過對式ε (n) =E[y(n)-H' ΝΧΝ(η) ]2采用微分置零法得到N個方程，求解可得預(yù)測器系數(shù):Hn — Rss ps.式中，PN:y (η)與Χ(η)的互相關(guān)量；Rnn:Χ(η)的自相關(guān)矩陣；
即:ρΝ = E[y (η) X (η) ], Rnn = Ε[Χ(η)Χ/ Ν(η)]； 3)根據(jù)上述描述的自適應(yīng)預(yù)測機(jī)制，設(shè)計(jì)出基于FIR模型的自適應(yīng)預(yù)測算法步驟為: (1)根據(jù)具體應(yīng)用對象，初始KHn(O)、μ； (2)輸入信號經(jīng)過自適應(yīng)預(yù)測機(jī)制，輸出.ν(/7+ 1).(3)信號+經(jīng)過一個延時環(huán)節(jié)z \輸出:F(n);
(4)計(jì)算K/?) =.).’(/?)-.v(/?).5、計(jì)算 HN(n+l) = Hn(η)+2 μ e (η)Xn(η)。 至此一次滾動優(yōu)化計(jì)算完成，新的迭代計(jì)算周期到來時，返回第二步，開始新的滾動優(yōu)化計(jì)算； 在滯環(huán)控制中，PA為當(dāng)前時刻光伏陣列輸出功率，PB為預(yù)測到的下一時刻最大點(diǎn)功率，PC為上一時刻光伏陣列輸出功率， 定義:PA>PC時，記為“ + ”，PB>PA時，記為“ + ”，反之均記做 通過三點(diǎn)之間功率的比較判斷，可以得出基于滯環(huán)的電壓擾動規(guī)則如下: 規(guī)則1:如果兩次擾動的功率比較均為“ + ”，則電壓保持原方向擾動； 規(guī)則2:如果兩次擾動的功率比較均為則電壓值反方向擾動； 規(guī)則3:如果兩次擾動的功率比較有“ + ”有可能已經(jīng)達(dá)到最大功率點(diǎn)或者外部輻照變化很快，則電壓不變； 設(shè)定P(n)為這一時刻光伏陣列輸出功率，P (n-Ι)為上一時刻光伏陣列的輸出功率，d(n)為輸出占空比； 輸入電壓信號經(jīng)過自適應(yīng)預(yù)測機(jī)制預(yù)測下一時刻的光伏陣列的輸出功率，進(jìn)入滯環(huán)控制判定擾動方向，從而確定占空比，占空比與三角波進(jìn)行比較后，生成驅(qū)動開關(guān)器件的PWM脈沖信號，實(shí)現(xiàn) 動態(tài)調(diào)節(jié)負(fù)載，最終實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制。
【文檔編號】G05B13/02GK104020813SQ201410200535
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】胡存剛, 夏曉波, 葛浩祥, 謝芳, 陳曙光 申請人:安徽省安泰科技股份有限公司