基于改進(jìn)型FIR濾波器預(yù)測(cè)的MPPT滯環(huán)控制算法制造技術(shù)

一種基于改進(jìn)型FIR濾波器預(yù)測(cè)的MPPT滯環(huán)控制算法，是在常規(guī)擾動(dòng)觀測(cè)法的基礎(chǔ)上，加入滯環(huán)控制和自適應(yīng)預(yù)測(cè)機(jī)制，即在預(yù)測(cè)前后工作電壓的光伏陣列輸出功率的基礎(chǔ)上結(jié)合當(dāng)前工作電壓的輸出功率形成三點(diǎn)滯環(huán)控制，通過擾動(dòng)規(guī)則的判定，確定擾動(dòng)方向，在提高了跟蹤速度上同時(shí)兼顧了控制系統(tǒng)的精度，并且通過在線更新自適應(yīng)預(yù)測(cè)器的步長(zhǎng)因子，提高系統(tǒng)的收斂性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，減少了損耗。新型的算法能夠彌補(bǔ)常規(guī)擾動(dòng)觀測(cè)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、誤判，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及穩(wěn)態(tài)性能。此外，此算法控制簡(jiǎn)單，易于軟件編程實(shí)現(xiàn)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及MPPT算法
，具體涉及一種基于改進(jìn)型FIR濾波器預(yù)測(cè)的MPPT滯環(huán)控制算法。
技術(shù)介紹
目前，通常用到的MPPT算法有擾動(dòng)觀察法、模糊控制法。擾動(dòng)觀察法也稱為爬山法，它的基本思想是：首先擾動(dòng)光伏電池的輸出電壓，然后觀測(cè)光伏電池輸出功率的變化，根據(jù)功率變化的趨勢(shì)連續(xù)改變擾動(dòng)電壓方向。由于實(shí)際檢測(cè)和控制精度的限制，而電壓擾動(dòng)的步長(zhǎng)一定，那么一定會(huì)出現(xiàn)震蕩問題，又由于外部環(huán)境是時(shí)刻變化的，光伏電池的P-U特性曲線時(shí)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(dòng)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)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題在于提供一種基于改進(jìn)型FIR濾波器預(yù)測(cè)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(dòng)觀測(cè)法，而且克服了傳統(tǒng)自適應(yīng)濾波算法的不足，通過構(gòu)造合適的變步長(zhǎng)因子，在提高收斂速度的同時(shí)保證了良好的穩(wěn)態(tài)性能且易于編程實(shí)現(xiàn)。本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種基于改進(jìn)型FIR濾波器預(yù)測(cè)的MPPT滯環(huán)控制算法，1)首先根據(jù)FIR濾波器的原理，光伏陣列輸出功率P可以表示為當(dāng)前和過去工作電壓的線性組合：式中，VN(n)—自適應(yīng)預(yù)測(cè)器當(dāng)前和過去工作電壓的向量；H′N—自適應(yīng)預(yù)測(cè)器的系數(shù)向量；—自適應(yīng)預(yù)測(cè)器的預(yù)測(cè)輸出功率；N—線性組合的數(shù)量；hk—系數(shù)向量的各元素。2)改進(jìn)型自適應(yīng)調(diào)整光伏發(fā)電系統(tǒng)處于劇烈變化的外界環(huán)境之中，為了保證預(yù)測(cè)算法對(duì)系統(tǒng)時(shí)變性和環(huán)境不確定性的適應(yīng)，而預(yù)測(cè)器的系數(shù)向量決定了自適應(yīng)機(jī)制的預(yù)測(cè)精度，所以必須對(duì)預(yù)測(cè)器系數(shù)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線滾動(dòng)優(yōu)化，即系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整；所謂預(yù)測(cè)器系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整就是根據(jù)預(yù)測(cè)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(cè)誤差的最小均方值為基準(zhǔn)，為了提高算法的收斂速度同時(shí)提高算法穩(wěn)態(tài)性能，采用改進(jìn)型LMS算法：定義ε(n)為e2(n)的期望值，即均方誤差：ε(n)＝E[e2(n)]；代入可得：ε(n)＝E[P(n)-H′NVN(n)]2為了使ε(n)最小，通過對(duì)式ε(n)＝E[P(n)-H′NVN(n)]2采用微分置零法得到N個(gè)方程，求解可得預(yù)測(cè)器系數(shù)：式中，XN：P(n)與V(n)的互相關(guān)量；RNN：V(n)的自相關(guān)矩陣；一般來講，預(yù)測(cè)器的系數(shù)調(diào)整可由上式獲得，但當(dāng)N較大時(shí)，計(jì)算量較大，不利于數(shù)字處理器上編程實(shí)現(xiàn)。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：HN(n+1)＝HN(n)+2μe(n)VN(n)，式中，μ：步長(zhǎng)因子，其大小影響每次迭代在最陡方向行進(jìn)長(zhǎng)度；e(n)為期望輸出功率值與預(yù)測(cè)輸出功率值之間的誤差，即：HN(n)為自適應(yīng)預(yù)測(cè)器的系數(shù)。可證明，只要μ取值恰當(dāng)，從任何HN(0)出發(fā)，總能使預(yù)測(cè)器系數(shù)收斂至但是采用這種迭代法計(jì)算使均方誤差最小的預(yù)測(cè)器系數(shù)向量時(shí)，仍需計(jì)算XN和RNN，存在較復(fù)雜的矩陣運(yùn)算；因此，為了減少計(jì)算量，Widrow提出了一種有效的簡(jiǎn)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(n)+2μe(n)VN(n)。這就是Widrow-Hoff LMS算法，在對(duì)預(yù)測(cè)器系數(shù)進(jìn)行初值設(shè)置后，就可以通過在線更新迭代，使誤差均方值最小；為了加快系統(tǒng)的收斂速度以及提高穩(wěn)態(tài)性能，本設(shè)計(jì)在其基礎(chǔ)上采用可變步長(zhǎng)因子μn，且μn＝α*μn-1+βe2(n)，其中α和β根據(jù)工程實(shí)際情況加以改變。根據(jù)上述描述的自適應(yīng)預(yù)測(cè)機(jī)制，設(shè)計(jì)出基于改進(jìn)型FIR模型的自適應(yīng)預(yù)測(cè)算法步驟為：(1)根據(jù)光伏系統(tǒng)功率特征，初始化HN(0)、μ0；(2)輸入功率信號(hào)經(jīng)過自適應(yīng)預(yù)測(cè)機(jī)制，輸出(3)經(jīng)過一個(gè)延時(shí)環(huán)節(jié)z-1，輸出(4)計(jì)算(5)根據(jù)μn＝α*μn-1+βe2(n)，更新μn；(6)計(jì)算HN(n+1)＝HN(n)+2μne(n)VN(n)。至此一次滾動(dòng)優(yōu)化計(jì)算完成，新的迭代計(jì)算周期到來時(shí)，返回第二步，開始新的滾動(dòng)優(yōu)化計(jì)算；在滯環(huán)控制中，以當(dāng)前工作點(diǎn)A點(diǎn)為中心，前后(大于和小與當(dāng)前工作電壓)各取一點(diǎn)(B點(diǎn)、C點(diǎn))形成滯環(huán)，PA為當(dāng)前工作電壓的光伏陣列輸出功率，PB為預(yù)測(cè)到的A點(diǎn)后的工作電壓光伏陣列輸出功率，PC為預(yù)測(cè)到的A點(diǎn)前工作電壓的光伏陣列輸出功率，定義：PA>PC時(shí)，記為“+”，PB>PA時(shí)，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(dòng)規(guī)則如下：規(guī)則1：如果兩次擾動(dòng)的功率比較均為“+”，則電壓保持原方向擾動(dòng)；規(guī)則2：如果兩次擾動(dòng)的功率比較均為“-”，則電壓值反方向擾動(dòng)；規(guī)則3：如果兩次擾動(dòng)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；輸入電壓信號(hào)經(jīng)過自適應(yīng)預(yù)測(cè)機(jī)制預(yù)測(cè)左右兩個(gè)工作電壓的光伏陣列的輸出功率，進(jìn)入滯環(huán)控制判定擾動(dòng)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(dòng)開關(guān)器件的PWM脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)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。本專利技術(shù)結(jié)合了改進(jìn)型預(yù)測(cè)算法與滯環(huán)控制的MPPT算法，通過預(yù)測(cè)算法預(yù)測(cè)當(dāng)前工作電壓左右兩點(diǎn)工作電壓所對(duì)應(yīng)的光伏陣列輸出功率，并通過滯環(huán)控制判定下一次電壓的擾動(dòng)方向，此方法提高了追蹤最大功率點(diǎn)的速度以及提高了追蹤精度，并且提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，減少在最大功率點(diǎn)位置的擾動(dòng)。本專利技術(shù)的有益效果是：1：具有最大功率點(diǎn)跟蹤功能，提高系統(tǒng)的效率2：提高最大功率點(diǎn)的跟蹤速度；3：提高系統(tǒng)的控制精度；4：提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及穩(wěn)態(tài)性能；5：抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)；6：防止因環(huán)境變化導(dǎo)致算法誤判最大功率點(diǎn)；7：加入自適應(yīng)機(jī)制，不需要高精度數(shù)據(jù)傳感器，降低系統(tǒng)的成本。附圖說明圖1為本專利技術(shù)自適應(yīng)預(yù)測(cè)機(jī)制的原理框圖；圖2為本專利技術(shù)滯環(huán)控制輸出功率記錄圖；圖3為本專利技術(shù)預(yù)測(cè)機(jī)制的MPPT控制框圖；圖4為本專利技術(shù)軟件流程圖。具體實(shí)施方式為了使本專利技術(shù)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)一步闡述本專利技術(shù)。參見圖1-4：一種基于改進(jìn)型FIR濾波器預(yù)測(cè)的MPPT滯環(huán)控制算法，1)首先根據(jù)FIR濾波器的原理，光伏陣列輸出功率P可以表示為當(dāng)前和過去工作電壓的線性組合：式中，VN(n)—自適應(yīng)預(yù)測(cè)器當(dāng)前和過去工作電壓的向量；H′N—自適應(yīng)預(yù)測(cè)器的系數(shù)向量；—自適應(yīng)預(yù)測(cè)器的預(yù)測(cè)輸出功率；N—線性組合的數(shù)量；hk—系數(shù)向量的各元素。2)改進(jìn)型自適應(yīng)調(diào)整光伏發(fā)電系統(tǒng)處于劇烈變化的外界環(huán)境之中，為了保證預(yù)測(cè)算法對(duì)系統(tǒng)時(shí)變性和環(huán)境不確定性的適應(yīng)，而預(yù)測(cè)器的系數(shù)向量決定了自適應(yīng)機(jī)制的預(yù)測(cè)精度，所以必須對(duì)預(yù)測(cè)器系數(shù)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線滾動(dòng)優(yōu)化，即系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整；所謂預(yù)測(cè)器系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整就是根據(jù)預(yù)測(cè)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(cè)誤差的最小均方值為基準(zhǔn)，為了提高算法的收斂速度同時(shí)提高算法穩(wěn)態(tài)性能，采用改進(jìn)型LMS算法：定義ε(n)為e2(n)的期望值，即均方誤差：ε(n)＝E[e2(n)]；代入可本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于改進(jìn)型FIR濾波器預(yù)測(cè)的MPPT滯環(huán)控制算法，其特征在于具體方法步驟如下：1)首先根據(jù)FIR濾波器的原理，光伏陣列輸出功率P表示為當(dāng)前和過去工作電壓v的線性組合：式中，VN(n)—自適應(yīng)預(yù)測(cè)器當(dāng)前和過去工作電壓的向量；H′N—自適應(yīng)預(yù)測(cè)器的系數(shù)向量；—自適應(yīng)預(yù)測(cè)器的預(yù)測(cè)輸出功率；N—線性組合的數(shù)量；hk—系數(shù)向量的各元素；2)改進(jìn)型自適應(yīng)調(diào)整光伏發(fā)電系統(tǒng)處于劇烈變化的外界環(huán)境之中，為了保證預(yù)測(cè)算法對(duì)系統(tǒng)時(shí)變性和環(huán)境不確定性的適應(yīng)，而預(yù)測(cè)器的系數(shù)向量決定了自適應(yīng)機(jī)制的預(yù)測(cè)精度，所以必須對(duì)預(yù)測(cè)器系數(shù)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線滾動(dòng)優(yōu)化，即系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整；所謂預(yù)測(cè)器系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整就是根據(jù)預(yù)測(cè)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(cè)誤差的最小均方值為基準(zhǔn)，為了提高算法的收斂速度同時(shí)提高算法穩(wěn)態(tài)性能，采用改進(jìn)型LMS算法：定義ε(n)為e2(n)的期望值，即均方誤差：ε(n)＝E[e2(n)]；代入可得：ε(n)＝E[P(n)?H′NVN(n)]2為了使ε(n)最小，通過對(duì)式ε(n)＝E[P(n)?H′NVN(n)]2采用微分置零法得到N個(gè)方程，求解可得預(yù)測(cè)器系數(shù)：式中，XN：P(n)與V(n)的互相關(guān)量；RNN：V(n)的自相關(guān)矩陣；采用遞推方式進(jìn)行求解，最陡梯度法為：HN(n+1)＝HN(n)+2μne(n)VN(n)；式中，μn為步長(zhǎng)因子，其大小影響每次迭代在最陡方向行進(jìn)長(zhǎng)度；且其大小可以根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行變化，即μn＝α*μn?1+βe2(n)，其中α和β根據(jù)工程實(shí)際情況加以改變；e(n)為期望輸出功率值與預(yù)測(cè)輸出功率值之間的誤差，即：HN(n)為自適應(yīng)預(yù)測(cè)器的系數(shù)。可證明，只要μ取值恰當(dāng)，從任何HN(0)出發(fā)，總能使預(yù)測(cè)器系數(shù)收斂至3)根據(jù)上述自適應(yīng)預(yù)測(cè)機(jī)制，設(shè)計(jì)出基于改進(jìn)型FIR模型的自適應(yīng)預(yù)測(cè)算法步驟為：(1)根據(jù)光伏系統(tǒng)功率特征，初始化HN(0)、μ0；(2)輸入功率信號(hào)經(jīng)過自適應(yīng)預(yù)測(cè)機(jī)制，輸出(3)經(jīng)過一個(gè)延時(shí)環(huán)節(jié)z?1，輸出(4)計(jì)算(5)根據(jù)μn＝α*μn?1+βe2(n)，更新μn；(6)計(jì)算HN(n+1)＝HN(n)+2μne(n)VN(n)；至此一次滾動(dòng)優(yōu)化計(jì)算完成，新的迭代計(jì)算周期到來時(shí)，返回第二步，開始新的滾動(dòng)優(yōu)化計(jì)算；在滯環(huán)控制中，以當(dāng)前工作點(diǎn)A點(diǎn)為中心，前后各取一點(diǎn)(B點(diǎn)、C點(diǎn))形成滯環(huán)，PA為當(dāng)前工作電壓的光伏陣列輸出功率，PB為預(yù)測(cè)到的A點(diǎn)后的工作電壓光伏陣列輸出功率，PC為預(yù)測(cè)到的A點(diǎn)前工作電壓的光伏陣列輸出功率，定義：PA>PC時(shí)，記為“+”，PB>PA時(shí)，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(dòng)規(guī)則如下：規(guī)則1：如果兩次擾動(dòng)的功率比較均為“+”，則電壓保持原方向擾動(dòng)；規(guī)則2：如果兩次擾動(dòng)的功率比較均為“?”，則電壓值反方向擾動(dòng)；規(guī)則3：如果兩次擾動(dòng)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(shí)刻光伏陣列輸出功率，和為前后工作電壓所對(duì)應(yīng)的光伏陣列的輸出功率，d(n)為輸出占空比；輸入電壓信號(hào)經(jīng)過自適應(yīng)預(yù)測(cè)機(jī)制預(yù)測(cè)前后兩個(gè)工作電壓的光伏陣列的輸出功率，進(jìn)入滯環(huán)控制判定擾動(dòng)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(dòng)開關(guān)器件的PWM脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)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。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于改進(jìn)型FIR濾波器預(yù)測(cè)的MPPT滯環(huán)控制算法，其特征在于具體方法步驟如下：1)首先根據(jù)FIR濾波器的原理，光伏陣列輸出功率P表示為當(dāng)前和過去工作電壓v的線性組合：式中，VN(n)—自適應(yīng)預(yù)測(cè)器當(dāng)前和過去工作電壓的向量；H′N—自適應(yīng)預(yù)測(cè)器的系數(shù)向量；—自適應(yīng)預(yù)測(cè)器的預(yù)測(cè)輸出功率；N—線性組合的數(shù)量；hk—系數(shù)向量的各元素；2)改進(jìn)型自適應(yīng)調(diào)整光伏發(fā)電系統(tǒng)處于劇烈變化的外界環(huán)境之中，為了保證預(yù)測(cè)算法對(duì)系統(tǒng)時(shí)變性和環(huán)境不確定性的適應(yīng)，而預(yù)測(cè)器的系數(shù)向量決定了自適應(yīng)機(jī)制的預(yù)測(cè)精度，所以必須對(duì)預(yù)測(cè)器系數(shù)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線滾動(dòng)優(yōu)化，即系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整；所謂預(yù)測(cè)器系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整就是根據(jù)預(yù)測(cè)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(cè)誤差的最小均方值為基準(zhǔn)，為了提高算法的收斂速度同時(shí)提高算法穩(wěn)態(tài)性能，采用改進(jìn)型LMS算法：定義ε(n)為e2(n)的期望值，即均方誤差：ε(n)＝E[e2(n)]；代入可得：ε(n)＝E[P(n)-H′NVN(n)]2為了使ε(n)最小，通過對(duì)式ε(n)＝E[P(n)-H′NVN(n)]2采用微分置零法得到N個(gè)方程，求解可得預(yù)測(cè)器系數(shù)：式中，XN：P(n)與V(n)的互相關(guān)量；RNN：V(n)的自相關(guān)矩陣；采用遞推方式進(jìn)行求解，最陡梯度法為：HN(n+1)＝HN(n)+2μne(n)VN(n)；式中，μn為步長(zhǎng)因子，其大小影響每次迭代在最陡方向行進(jìn)長(zhǎng)度；且其大小可以根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行變化，即μn＝α*μn-1+βe2(n)，其中α和β根據(jù)工程實(shí)際情況加以改變；e(n)為期望輸出功率值與預(yù)測(cè)輸出功率值之間的誤差，即：HN(n)為自適應(yīng)預(yù)測(cè)器的系...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：孫小娟，施劍鋒，朱衛(wèi)坪，胡朝俊，王瑞蒂，徐杰，胡存剛，李力，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：安徽省安泰科技股份有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：安徽;34