本發(fā)明涉及太陽能光伏發(fā)電領(lǐng)域，特別是涉及一種基于sqp信賴域算法的光伏單峰mppt方法。

背景技術(shù)：

mppt是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行效率的常用方法。在局部陰影條件下，光伏陣列的p-u曲線可能呈現(xiàn)多峰值特性，按照是否具有應(yīng)對多峰值問題的能力，光伏mppt方法分為單峰mppt方法和多峰mppt方法兩類。雖然在局部陰影條件下單峰mppt方法可能會陷入局部功率極大值點(diǎn)而失效。然而，單峰mppt方法仍具有十分重要的意義：一方面，多峰mppt方法在搜索到全局最大功率點(diǎn)附近后，仍需依賴單峰mppt方法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的局部跟蹤；另一方面，微逆技術(shù)和模塊化多電平換流器技術(shù)的發(fā)展也擴(kuò)大了單峰mppt方法的適用范圍。

常用的擾動觀察法和電導(dǎo)增量法采用定步長跟蹤最大功率點(diǎn)，但這類方法存在步長選取的矛盾：選取大步長，能獲得較好的動態(tài)響應(yīng)能力，但會降低穩(wěn)態(tài)運(yùn)行效率；選取小步長，能提高穩(wěn)態(tài)運(yùn)行效率，但其動態(tài)響應(yīng)能力會下降。為解決這一矛盾，主要有模糊邏輯控制和梯度法兩種變步長方案。由于模糊邏輯控制需要進(jìn)行模糊集、隸屬函數(shù)形狀以及控制規(guī)則表等設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)難度較大，因此目前相關(guān)研究主要集中于基于梯度法的變步長mppt方法。

在梯度法中，下一步的步長由當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)輸出功率對電壓的導(dǎo)數(shù)乘上一個(gè)步長因子獲得，其中步長因子是一個(gè)重要參數(shù)：步長因子過大會導(dǎo)致參考電壓收斂很慢甚至不收斂，而步長因子過小則會使動態(tài)響應(yīng)能力降低。選取步長因子的方法主要有事先設(shè)定和自適應(yīng)兩種。事先設(shè)定步長因子的方法應(yīng)用較為簡單，但由于光伏組件的p-u曲線會隨著運(yùn)行條件的改變而改變，因此事先設(shè)定的步長因子難以保證在各種運(yùn)行條件下都能獲得較好的性能；而自適應(yīng)步長因子方法含有反三角函數(shù)等復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，可能會增大硬件成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種基于sqp(序列二次規(guī)劃)信賴域算法的光伏單峰mppt方法，以解決現(xiàn)有事先設(shè)定步長因子的變步長mppt方法不能保證在多種運(yùn)行條件下的適應(yīng)性，而現(xiàn)有自適應(yīng)步長因子的變步長mppt方法又含有較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，會增大硬件成本的問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于sqp信賴域算法的光伏單峰mppt方法，包括以下步驟：

s1：初始化光伏陣列組件的電壓uref⁽⁰⁾和信賴域半徑r⁽⁰⁾，測量初始輸出功率p⁽⁰⁾和輸出功率p⁽⁰⁾對電壓uref⁽⁰⁾的一階導(dǎo)數(shù)g⁽⁰⁾；

s2：初始化輸出功率p⁽⁰⁾對電壓uref⁽⁰⁾的二階導(dǎo)數(shù)b⁽⁰⁾，通過所述的輸出功率對電壓的一階導(dǎo)數(shù)g⁽⁰⁾，所述的輸出功率p⁽⁰⁾對電壓uref⁽⁰⁾的二階導(dǎo)數(shù)b⁽⁰⁾和所述的信賴域半徑r⁽⁰⁾計(jì)算所述的初始電壓試探步長d⁽⁰⁾，同時(shí)初始化迭代次數(shù)標(biāo)記k＝1；

s3：更新所述的電壓uref，再次測量當(dāng)前所述的輸出功率p；

s4：判斷所述的輸出功率p是否滿足終止條件，若所述的輸出功率p滿足終止條件，則維持當(dāng)前所述的電壓uref，方法終止；若所述的輸出功率不滿足終止條件，則進(jìn)行s5；

s5：計(jì)算評價(jià)函數(shù)ρ；

s6：通過比較評價(jià)函數(shù)的值ρ與預(yù)設(shè)值ε2進(jìn)行如下判斷，其中ε2為正數(shù)，若ρ^(k)≥ε2，則測量當(dāng)前的輸出功率p對電壓uref的一階導(dǎo)數(shù)g，并更新所述的輸出功率p對電壓uref的二階導(dǎo)數(shù)b；若ρ^(k)＜ε2，則令所述的電壓uref等于更新前的所述的電壓uref、輸出功率p等于更新前的輸出功率p、輸出功率p對電壓uref的一階導(dǎo)數(shù)g等于更新前的輸出功率p對電壓uref的一階導(dǎo)數(shù)g和輸出功率p對電壓uref的二階導(dǎo)數(shù)b等于更新前的輸出功率p對電壓uref的二階導(dǎo)數(shù)b；

s7：通過所述的評價(jià)函數(shù)值ρ更新所述的信賴域半徑r；

s8：由輸出功率p對電壓uref的一階導(dǎo)數(shù)g、二階導(dǎo)數(shù)b和新的信賴域半徑r重新計(jì)算電壓步長d，返回s3進(jìn)行迭代。

本發(fā)明通過利用sqp信賴域算法自適應(yīng)地求取mppt控制的步長因子，不斷地通過調(diào)整電壓步長d，使得電壓至不斷變化，導(dǎo)致功率不斷“追蹤”最大功率值，最終當(dāng)兩者的差距小于某一個(gè)預(yù)設(shè)值ε1時(shí)，流程結(jié)束。

在一種優(yōu)選的方案中，所述的s1中初始化光伏陣列組件的電壓uref⁽⁰⁾＝40v，初始化信賴域半徑r⁽⁰⁾＝3v和所述的s2中初始化輸出功率p對電壓uref的二階導(dǎo)數(shù)b⁽⁰⁾＝-1。

在一種優(yōu)選的方案中，所述的s2和s8中所述的電壓試探步長d通過以下公式進(jìn)行求取：

式中，r^(k)表示第k次迭代中的信賴域半徑，g^(k)表示第k次迭代中輸出功率對電壓的一階導(dǎo)數(shù)，b^(k)表示第k次迭代中輸出功率對電壓的二階導(dǎo)數(shù)。

在一種優(yōu)選的方案中，所述的s3中更新所述的電壓uref通過以下公式進(jìn)行求取：

式中，表示第k次迭代的電壓。

在一種優(yōu)選的方案中，所述的s4中所述的終止條件通過以下公式表示：

|p^(k)-p^(k-¹⁾|＜ε1

式中，p^(k)表示第k次迭代中的輸出功率，ε1的取值范圍是0.01w≤ε1≤1w。

在一種優(yōu)選的方案中，所述的s5中所述的評價(jià)函數(shù)通過以下公式進(jìn)行求?。?/p>

式中，ρ^(k)表示第k次迭代中的評價(jià)結(jié)果。

在一種優(yōu)選的方案中，所述的s6中的ε2＝0.25。

在一種優(yōu)選的方案中，所述的s6中輸出功率p對電壓uref的二階導(dǎo)數(shù)b通過以下公式進(jìn)行求?。?/p>

式中，b^(k+1)表示第k+1次迭代中輸出功率對電壓的二階導(dǎo)數(shù)。

在一種優(yōu)選的方案中，所述的s6中所述的電壓uref等于更新前的所述的電壓uref、輸出功率p等于更新前的輸出功率p、輸出功率p對電壓uref的一階導(dǎo)數(shù)g等于更新前的輸出功率p對電壓uref的一階導(dǎo)數(shù)g和輸出功率p對電壓uref的二階導(dǎo)數(shù)b等于更新前的輸出功率p對電壓uref的二階導(dǎo)數(shù)b通過以下公式進(jìn)行求?。?/p>

式中，表示更新前的電壓，p^(k-1)表示更新前的輸出功率，g^(k-1)表示更新前的輸出功率對電壓的一階導(dǎo)數(shù)，b^(k-1)表示更新前的輸出功率對電壓的二階導(dǎo)數(shù)，表示當(dāng)前的電壓，p^(k)表示當(dāng)前的輸出功率，g^(k)表示當(dāng)前的功率對電壓的一階導(dǎo)數(shù)，b^(k)表示當(dāng)前的功率對電壓的二階導(dǎo)數(shù)。

在一種優(yōu)選的方案中，所述的s7中所述的信賴域半徑r通過以下公式進(jìn)行求?。?/p>

式中，rmax為信賴域半徑上限，rmax＝3v，ε3＝0.75。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是：

本發(fā)明除比較判斷外，只包括簡單的四則運(yùn)算，降低了方法的復(fù)雜程度；利用sqp信賴域算法自適應(yīng)地求取步長因子，保證在各種運(yùn)行條件下都能獲得較好的性能。

附圖說明

圖1為實(shí)施例方法流程圖。

圖2為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下本案實(shí)施例1與對比實(shí)施例2、對比實(shí)施例3的電壓波形。圖3為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下本案實(shí)施例1與對比實(shí)施例2、對比實(shí)施例3的功率波形。

具體實(shí)施方式

附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說明可能省略是可以理解的。

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。

實(shí)施例1的方法執(zhí)行步驟示意圖如附圖1所示，包括如下步驟：

一種基于sqp信賴域算法的光伏單峰mppt方法，包括以下步驟：

s1：初始化光伏陣列組件的電壓uref⁽⁰⁾＝40v和信賴域半徑r⁽⁰⁾＝3v，測量初始輸出功率p⁽⁰⁾和輸出功率p⁽⁰⁾對電壓uref⁽⁰⁾的一階導(dǎo)數(shù)g⁽⁰⁾；

s2：初始化輸出功率p⁽⁰⁾對電壓uref⁽⁰⁾的二階導(dǎo)數(shù)b⁽⁰⁾＝-1，通過輸出功率對電壓的一階導(dǎo)數(shù)g⁽⁰⁾，輸出功率p⁽⁰⁾對電壓uref⁽⁰⁾的二階導(dǎo)數(shù)b⁽⁰⁾和信賴域半徑r⁽⁰⁾計(jì)算初始電壓試探步長d⁽⁰⁾，同時(shí)初始化迭代次數(shù)標(biāo)記k＝1；

s3：更新電壓uref，再次測量當(dāng)前輸出功率p；

s4：判斷輸出功率p是否滿足|p^(k)-p^(k-1)|＜ε1，若輸出功率p滿足|p^(k)-p^(k-1)|＜ε1，則維持當(dāng)前電壓uref，方法終止；若輸出功率p不滿足|p^(k)-p^(k-1)|＜ε1，則進(jìn)行s5，其中，ε1＝0.01w。

s5：計(jì)算評價(jià)函數(shù)ρ，ρ通過以下公式進(jìn)行求取：

式中，ρ^(k)表示第k次迭代中的評價(jià)結(jié)果。

s6：通過比較評價(jià)函數(shù)的值ρ與預(yù)設(shè)值ε2進(jìn)行如下判斷，其中ε2＝0.25，若ρ(^k)≥ε2，則測量當(dāng)前的輸出功率p對電壓uref的一階導(dǎo)數(shù)g，并更新輸出功率p對電壓uref的二階導(dǎo)數(shù)b；若ρ^(k)＜ε2，則令電壓uref等于更新前的電壓uref、輸出功率p等于更新前的輸出功率p、輸出功率p對電壓uref的一階導(dǎo)數(shù)g等于更新前的輸出功率p對電壓uref的一階導(dǎo)數(shù)g和輸出功率p對電壓uref的二階導(dǎo)數(shù)b等于更新前的輸出功率p對電壓uref的二階導(dǎo)數(shù)b；

s7：通過評價(jià)函數(shù)值ρ更新信賴域半徑r；

s8：由輸出功率p對電壓uref的一階導(dǎo)數(shù)g、二階導(dǎo)數(shù)b和新的信賴域半徑r重新計(jì)算電壓步長d，返回s3進(jìn)行迭代。

s2和s8中電壓試探步長d通過以下公式進(jìn)行求?。?/p>

式中，r^(k)表示第k次迭代中的信賴域半徑，g^(k)表示第k次迭代中輸出功率對電壓的一階導(dǎo)數(shù)，b^(k)表示第k次迭代中輸出功率對電壓的二階導(dǎo)數(shù)。

s3中更新電壓uref通過以下公式進(jìn)行求?。?/p>

式中，表示第k次迭代的電壓。

s6中若ρ^(k)≥ε2，輸出功率p對電壓uref的二階導(dǎo)數(shù)b通過以下公式進(jìn)行求?。?/p>

式中，b^(k)表示第k次迭代中輸出功率對電壓的二階導(dǎo)數(shù)。

s6中若ρ^(k)<ε2，電壓uref等于更新前的電壓uref、輸出功率p等于更新前的輸出功率p、輸出功率p對電壓uref的一階導(dǎo)數(shù)g等于更新前的輸出功率p對電壓uref的一階導(dǎo)數(shù)g和輸出功率p對電壓uref的二階導(dǎo)數(shù)b等于更新前的輸出功率p對電壓uref的二階導(dǎo)數(shù)b通過以下公式進(jìn)行求取：

式中，表示更新前的電壓，p^(k-1)表示更新前的輸出功率，g^(k-1)表示更新前的輸出功率對電壓的一階導(dǎo)數(shù)，b^(k-1)表示更新前的輸出功率對電壓的二階導(dǎo)數(shù)，表示當(dāng)前的電壓，p^(k)表示當(dāng)前的輸出功率，g^(k)表示當(dāng)前的功率對電壓的一階導(dǎo)數(shù)，b^(k)表示當(dāng)前的功率對電壓的二階導(dǎo)數(shù)。

s7中信賴域半徑r通過以下公式進(jìn)行求取：

式中，rmax為信賴域半徑上限，rmax＝3v，ε3＝0.75。

實(shí)施例2：采用基于切線角的變步長mppt方法。

實(shí)施例3：采用定步長因子的變步長mppt方法。

實(shí)施例1～3采用型號為spr-300e-wht-d的光伏組件。該型號光伏組件在溫度25℃且光照強(qiáng)度分別為200w/m²、400w/m²和1000w/m²時(shí)的最大功率點(diǎn)電壓分別為52.51v、53.71v和54.70v，最大輸出功率分別為57.68w、117.97w和300.06w；在光照強(qiáng)度1000w/m²，溫度分別為35℃和45℃時(shí)的最大功率點(diǎn)電壓為52.86v和51.02v，最大輸出功率分別為291.21w和282.23w。在正常運(yùn)行時(shí)，可以認(rèn)為光伏組件的輸出電壓等于mppt控制的參考電壓。實(shí)施例1～3的mppt控制的采樣周期為0.01s，mppt控制于t＝0.01s時(shí)啟動，時(shí)間為0s至0.9s；初始電壓為40v，步長上限為3v，電壓上限和下限分別為20v和60v，三種實(shí)施例的終止條件均為

|p^(k)-p^(k-1)|＜0.01w

在標(biāo)準(zhǔn)測試條件(25℃，1000w/m²)下所得的參考電壓波形和輸出功率波形分別如圖2和圖3所示。

五種溫度和光照的運(yùn)行條件下實(shí)施例1～3的測試結(jié)果見表格1。表格1中，時(shí)間是指從mppt控制開始至達(dá)到終止條件所消耗的時(shí)間，電壓和輸出功率分別指達(dá)到終止條件時(shí)光伏組件的輸出電壓和輸出功率，能量是指從mppt控制開始至達(dá)到終止條件時(shí)光伏陣列能夠輸出的電能總量最大值與實(shí)際輸出的電能總量之差。

分析實(shí)施例測試結(jié)果，可得如下結(jié)論：

對比同一實(shí)施例在不同條件下的測試結(jié)果，可知本發(fā)明方法(實(shí)施例1)能適應(yīng)不同光照強(qiáng)度以及溫度條件。

對比相同運(yùn)行條件下不同實(shí)施例的測試結(jié)果，可知本發(fā)明方法(實(shí)施例1)在各運(yùn)行條件下的動態(tài)響應(yīng)能力均優(yōu)于其他方法(實(shí)施例2和實(shí)施例3)，達(dá)到最大功率點(diǎn)的時(shí)間最短，造成的電能損失更小，能夠提高光伏發(fā)電的效率。附圖中描述位置關(guān)系的用語僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；

顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。

表格1實(shí)施例測試結(jié)果