CN110829490B - 基于优化Fibonacci数列的光伏发电***等功率控制的方法 - Google Patents

基于优化Fibonacci数列的光伏发电***等功率控制的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于优化Fibonacci数列的光伏发电***等功率控制的方法，通过测量***PV侧电压与电流，计算出功率，再采用Fibonacci数列来实现PV曲线等功率调节；在确定限制指令后，判断***最大功率点位置，借助填充因子FF来预估等功率曲线的电压值Vk′，当实际检测到的(Vk>Vk′)且(Pk>P0)，说明当前还未搜索到等功率点，而Vk已经超过填充因子FF的推算值，下一时刻执行Fibonacci数列将初始化，通过小步长方式继续搜索等功率点，若在搜索误差范围内，说明该情况下***即将搜索到等功率点，并且该情况下***需要缩小搜索范围。本发明的应用可以有效避免采用大步长使得***出现较大功率偏移的问题，提高***精度，且解决了现有技术中Fibonacci导致***在终止时功率误差率较大的问题。

Description

基于优化Fibonacci数列的光伏发电***等功率控制的方法
技术领域
本发明涉及一种并网光伏逆变器的等功率控制方法，尤其涉及一种基于优化Fibonacci数列的光伏发电***等功率控制的方法。
背景技术
随着全球工业化的进程,人类对能源需求在不断增长，而整个能源工业的消耗主要以化石能源为主，以化石能源为主体的能源结构造成了大气和其他类型环境污染与生态破坏，且其能源不可再生。
面对全球范围内的能源危机和环境压力,亟需用可再生能源来代替资源有限、污染环境的常规能源。研究和实践表明,太阳能是资源最丰富的可再生能源,它分布广泛,可再生,不污染环境。近几年,世界太阳能电池组件的年平均增长率为33％,光伏产业已成为当今发展最迅速的高新技术产业之一。
随着光伏发电等新能源并网渗透率的快速提高，许多国家要求新能源具备参与***一次调频的能力，而在光伏并网发电中，其作为电力负荷的一种负荷，一般电力***负荷可分为三种：
1.第一种，变动幅度很小，周期又很短，其变动有很大的偶然性；
2.第二种，变动幅度较大，周期较长，为带有冲击性的负荷；
3.第三种，负荷变动幅度最大，周期也最长，是由于生产、生活、气象等变化引起的负荷变动。
电力***的有功功率和频率调整大体可分为一次、二次和三次调整三种：
1.一次调整或频率的一次调整，指由发电机的调速器进行的，对第一种负荷变动引起的频率偏移的调整；
2.二次调整或频率的二次调整，指由发电机的调频器进行的，对第二种负荷变动引起的频率偏移的调整；
3.三次调整，指按最优化准则分配第三种有规律变动的负荷，即责成各发电厂按事先给定的发电负荷曲线发电。
而用户使用的电动机的转速与***频率均与发电站电力***频率有关，当发电站电力***频率变动时，将会影响用户电子设备的正常工作。
虽然，光伏发电站按电力***技术规定(GB/T 19964-2012)，应具备电力***的调频和调峰的能力，应配置有功功率控制***，具备有功功率连续平滑调节的能力，能够参与***有功功率控制，能够接收并自动执行电网调度机构下达的有功功率及有功功率变化的控制指令。
但是，在实际过程中，光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受日照强度、环境温度和负载情况影响。在一定的日照强度和环境温度下，光伏阵列可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值，这时光伏阵列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 powerpoint,MPP)。
因此，在光伏发电***中，要提高***的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏阵列的工作点，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(MPPT)。
然而，当执行光伏发电站接入电力***技术规定中有功/频率调节过程中，由于光伏阵列(PV Array简称PV)特性，将存在两个、甚至多个等功率曲线，如图1所示，在功率曲线下，***将存在至少两个等功率点，分别位于最大功率点左侧与最大功率点右侧。一般的，在设定有功/频率调节过程中，光伏并网发电***将MPP修正到最大功率点的右侧，从而实现***稳定控制。
但是，在局部阴影或者控制器调节等原因，光伏并网发电***的PV电压有可能落在最大功率点的左侧的等功率曲线上，该情况下，根据PV面板特性，***PV侧电压Vpv将低于最大功率点的右侧的等功率曲线上电压Vpv；***PV侧电流ipv将高于最大功率点的右侧的等功率曲线上电流ipv，假定直流母线电压值Vbus恒定，在Boost动作情况下，控制器输出占空比Duty：
Figure GDA0002932323190000031
从上式可以看到，在***PV侧电压Vpv越低情况下，***需要更大的占空比，同时由于(Vbus-Vpv)较大，带来更大的电压与电流波动，并且，电流ipv过大，将带来***安全裕量过低等问题。
为此，优选的，光伏并网发电***的PV电压落在最大功率点的右侧的等功率曲线上。
然而，一般的都是采用固定步长等方式来实现等功率曲线追踪，而在采用固定步长中，如果固定步长选取太小，***需要很长时间来实现调节；如果固定步长选取太大，***将存在较大的超调。
现阶段，为使得光伏并网发电***的PV电压落在最大功率点的右侧的等功率曲线上，都是通过调节MPPT步长与方向从而实现光伏并网发电***的PV电压落在最大功率点的右侧的等功率曲线上。
但是，在采用Fibonacci数列的光伏发电***等功率控制，在起始状态具有小步长，并且收敛速度快，然后在终止时依旧保持较大步长，从而使得***在终止时功率误差率较大。
因此，亟需提出一种新的技术方案来解决这一问题，使得光伏并网发电***的PV电压落在最大功率点的右侧的等功率曲线上，且可以等功率调节，电压电流稳定输出。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，给光伏发电***提供一种基于优化Fibonacci数列的光伏发电***等功率控制的方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
基于优化Fibonacci数列的光伏发电***等功率控制的方法，包括如下步骤：
S1：测量***光伏阵列(PV Array，简称PV)PV侧电压Vpv与电流ipv，算得功率Ppv，并将其存储于数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)中，追踪***最大功率点(Maximum Power Point，简称MPP)；
S2：检测***接收到限载指令，确定初始电压值V0、初始功率值P0，记录***光伏阵列侧电压；
S3：根据限载指令，按照Fibonacci数列C1＝1,C2＝1,C3＝2,…,Cn＝Cn-1+Cn-2(n≥2)，执行ΔV指令，判断ΔP/ΔV方向，ΔV＝Vk-Vk-1，ΔP＝Pk-Pk-1，***确定最大功率点，得到最大功率值Pk-1；
S4：获取填充因子FF的值，预估等功率曲线的电压值Vk′，检测Pk与P0的值的大小关系，执行Fibonacci数列初始化，搜索等功率点；
S5：若检测到(Pk>P0)，则判断Vk与填充因子FF的推算值的接近程度，执行Fibonacci数列初始化，小步长方式逼近Vk′搜索等功率点；
S6：设定误差δ的范围，若检测到(Pk≥P0)且[Pk≤P0*(1+δ)]，则缩小搜索范围，执行Fibonacci数列初始化，检测出(Pk＝P0)，搜索到等功率点；
其中，Vk表示k时刻的电压值，Vk-1表示k-1时刻的电压值，ΔV表示k时刻与k-1时刻的电压差值；Pk表示k时刻的功率值，Pk-1表示k-1时刻的功率值，ΔP表示k时刻与k-1时刻的功率差值。
上述技术方案中进一步的，所述步骤S1中，***工作稳定时，检测最大功率点处电压Vmppt和***开路电压Voc。
进一步的，所述步骤S3中，Pk为ΔP/ΔV方向改变后第一次的值；
进一步的，***采用电导增量法确定最大功率点；
进一步的，所述限载指令包括来自于***内部和***外部的指令，且所述数字信号处理器根据限载指令控制逆变器输出交流电。
进一步的，所述步骤S4中，填充因子FF＝Vmppt/Voc；
进一步的，若未完成最大功率，***在0.70～0.85的范围内选取填充因子FF的值。
进一步的，若未完成最大功率，则***根据实际光伏面板出厂参数选定填充因子FF的值。
进一步的，所述步骤S4中，
Figure GDA0002932323190000051
进一步的，若检测到(Pk<P0)时，则小步长方式反向搜索等功率点；
进一步的，若检测到(Pk＝P0)时，搜索到等功率点，则Fibonacci数列初始化，停止搜索；
进一步的，若检测到(Pk>P0)时，则进入步骤S5，继续搜索。
进一步的，所述步骤S5中，当(Vk≤Vk′)，则Vk接近FF因子推算值；
进一步的，当(Vk>Vk′)，则Vk超过填充因子FF的推算值。
进一步的，所述方法，采用Fibonacci来实施Vpv参考值扰动，初始值为人为设定的任何值。
进一步的，所述步骤S6中，设定误差δ为上限误差值。
进一步的，设定误差δ为下限误差值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.采用本发明所述的基于优化Fibonacci数列的光伏发电***等功率控制的方法，在起始状态具有小步长，并且收敛速度快的特性，然后在终止时依旧保持较小步长，从而使得***在终止时功率误差率较小；
2.本发明所提供的基于优化Fibonacci数列的光伏发电***等功率控制的方法，具有自动变步长来实现等功率调节的特性，小步长提高功率精度，大步长提高快速性，两者共同作用来实现快速稳定调节等功率曲线；
3.本发明通过测量***PV侧电压与电流，计算出功率，通过功率，采用Fibonacci数列(斐波那契数列)来实现PV曲线等功率调节，可以判断***最大功率点位置，防止采用大步长使得***出现较大功率偏移，提高***精度；
4.本发明所述的Fibonacci数列(斐波那契数列)可以初始化，重构搜索范围，用以提供***精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明背景技术中光伏电池等功率曲线图；
图2是对比固定不同步长调节实现等功率的曲线图；
图3是对比固定不同步长与Fibonacci调节实现等功率的曲线图；
图4是对比Fibonacci与优化Fibonacci调节实现等功率的曲线图；
图5是实际测试优化Fibonacci调节过程的波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清查、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为光伏电池功率曲线，图中所示连续曲线为PV曲线，横线为等功率曲线，等功率曲线与PV曲线交点为光伏等功率点，在实际过程中可能存在2个以上的等功率点情况；
如图2所示，为光伏电池功率曲线采用固定步长.小步长与固定步长.大步长来追踪到等功率点的波形图；
如图3所示，为光伏电池功率曲线采用固定步长.小步长、固定步长.大步长与Fibonacci变步长来追踪到等功率点波形图；
如图4所示，为光伏电池功率曲线采用Fibonacci变步长与优化后的Fibonacci变步长来追踪到等功率点波形；
如图5所示，为光伏电池功率曲线采用优化后的Fibonacci变步长在实际平台的测试情况，图中上部直线晕染带为PV的Boost驱动Duty，图中中部连续曲线晕染带为两路PV电压Vpv，图中下部渐变式直线晕染带为PV的电流ipv。
现有技术中，为了使得光伏并网发电***的PV电压落在最大功率点的右侧的等功率曲线上，一般的都是采用固定步长等方式来实现等功率曲线追踪，而在采用固定步长中，如果固定步长选取太小，***需要很长时间来实现调节；如果固定步长选取太大，***将存在较大的超调。
为方便对比各种算法优劣情况，本发明给定一个案例供对比分析，该案例为本专利中的一个特例，以下分析中将应用到本案例。在不同固定步长情况下，对比结果如图2。
从图2中可以得到表1：
表1不同固定步长情况下等功率点搜索误差表
所需用步数 终止时功率误差率 起始/最大/终止步长
固定步长.小步长 74 +0.35％ 0.45％/0.45％/0.45％
固定步长.大步长 15 +8.84％ 2.26％/2.26％/2.26％
而采用Fibonacci算法，该方法通过反复限制并调整搜索范围，确保最大功率点在搜索范围内。在调整搜索范围时用到一组数列，在此参考Fibonacci数列，其定义方式如下：
C0＝0,C1＝1,C2＝1,…,Cn＝Cn-1+Cn-2(n≥2)
基于式，设一组Fibonacci数列{Cn}，其值如下所示：
C1＝1,C2＝1,C3＝2,…,Cn＝Cn-1+Cn-2(n≥2)
将数列{Cn}应用到的光伏阵列MPPT算法中，其搜索过程根据控制策略调节MPPT步长。当光伏并网发电***的PV电压有可能落在最大功率点的左侧的等功率曲线上，与上述原理一致，通过调节MPPT步长与方向从而实现光伏并网发电***的PV电压落在最大功率点的右侧的等功率曲线上，测试如图3。
从图3中可以得到表2：
表2不同固定步长与Fibonacci调节下等功率点搜索误差表
Figure GDA0002932323190000081
在图3中可以发现，在采用Fibonacci数列的光伏发电***等功率控制，在起始状态具有小步长，并且收敛速度快，然后在终止时依旧保持较大步长，从而使得***在终止时功率误差率较大，结果仍不理想。
下面结合实施例进一步说明本发明要旨：
实施例：
为了解决以上的问题，本发明提出了一种新的技术方案:
基于优化Fibonacci数列的光伏发电***等功率控制的方法，包括如下步骤：
S1：测量***光伏阵列(PV Array，简称PV)PV侧电压Vpv与电流ipv，算得功率Ppv，并将其存储于数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)中，追踪***最大功率点(Maximum Power Point，简称MPP)；
S2：检测***接收到限载指令，确定初始电压值V0、初始功率值P0，记录***光伏阵列侧电压；
S3：根据限载指令，按照Fibonacci数列C1＝1,C2＝1,C3＝2,…,Cn＝Cn-1+Cn-2(n≥2)，执行ΔV指令，判断ΔP/ΔV方向，ΔV＝Vk-Vk-1，ΔP＝Pk-Pk-1，***确定最大功率点，得到最大功率值Pk-1；
S4：获取填充因子FF的值，预估等功率曲线的电压值Vk′，检测Pk与P0的值的大小关系，执行Fibonacci数列初始化，搜索等功率点；
S5：若检测到(Pk>P0)，则判断Vk与填充因子FF的推算值的接近程度，执行Fibonacci数列初始化，小步长方式逼近Vk′搜索等功率点；
S6：设定误差δ的范围，若检测到(Pk≥P0)且[Pk≤P0*(1+δ)]，则缩小搜索范围，执行Fibonacci数列初始化，检测出(Pk＝P0)，搜索到等功率点；其中，Vk表示k时刻的电压值，Vk-1表示k-1时刻的电压值，ΔV表示k时刻与k-1时刻的电压差值；Pk表示k时刻的功率值，Pk-1表示k-1时刻的功率值，ΔP表示k时刻与k-1时刻的功率差值。
上述技术方案中进一步的，所述步骤S1中，***工作稳定时，检测最大功率点处电压Vmppt和***开路电压Voc。
进一步的，所述步骤S3中，Pk为ΔP/ΔV方向改变后第一次的值；
进一步的，***采用电导增量法确定最大功率点；
进一步的，所述限载指令包括来自于***内部和***外部的指令，且所述数字信号处理器根据限载指令控制逆变器输出交流电。
进一步的，所述步骤S4中，填充因子FF＝Vmppt/Voc；
进一步的，若未完成最大功率，***在0.70～0.85的范围内选取填充因子FF的值。
进一步的，若未完成最大功率，则***根据实际光伏面板出厂参数选定填充因子FF的值。
进一步的，所述步骤S4中，
Figure GDA0002932323190000091
进一步的，若检测到(Pk<P0)时，则小步长方式反向搜索等功率点；
进一步的，若检测到(Pk＝P0)时，搜索到等功率点，则Fibonacci数列初始化，停止搜索；
进一步的，若检测到(Pk>P0)时，则进入步骤S5，继续搜索。
进一步的，所述步骤S5中，当(Vk≤Vk′)，则Vk接近FF因子推算值；
进一步的，当(Vk>Vk′)，则Vk超过填充因子FF的推算值。
进一步的，所述方法，采用Fibonacci来实施Vpv参考值扰动，初始值为人为设定的任何值。
进一步的，所述步骤S6中，设定误差δ为上限误差值。
进一步的，设定误差δ为下限误差值。
本技术方案的基本原理是：
通过测量***PV侧电压与电流，计算出功率，通过功率，采用Fibonacci数列来实现PV曲线等功率调节。在确定限制指令后，判断***最大功率点位置，借助填充因子FF来预估等功率曲线的电压值Vk′，当实际检测到的(Vk>Vk′)且(Pk>P0)，说明当前还未搜索到等功率点，而Vk已经超过填充因子FF的推算值，下一时刻执行Fibonacci数列将初始化，通过小步长方式继续搜索等功率点，防止采用大步长使得***出现较大功率偏移，提高***精度。在搜索误差范围，说明该情况下***即将搜索到等功率点，并且该情况下***需要缩小搜索范围，防止采用大步长使得***出现较大功率偏移，下一时刻执行Fibonacci数列将初始化，提高***精度。
本发明采用Fibonacci来实施Vpv参考值扰动，所有案例中给定其初始值为0.1V。
本发明所述的填充因子FF是衡量太阳能电池输出的特性的重要指标，是代表太阳能电池在带最佳负载时，能输出的最大功率的特性，其值越大表示太阳能电池的输出功率越大，填充因子FF的值始终小于1。
填充因子FF取决与入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。对于有合适效率的电池，该值应在0.70～0.85范围内。
本发明将借助填充因子FF，该值可以在初始状态给定预设值，当***工作稳定，可以通过填充因子FF＝Vmppt/Voc，Vmppt为最大功率点处电压，Voc为***开路电压。
根据填充因子FF来预估等功率曲线的电压值，具体公式为：
Figure GDA0002932323190000101
Vk′为根据最大功率点以及填充因子FF，推算得到k时刻电压值。
通过上述公式，可以得到：
Figure GDA0002932323190000102
在本发明所述的方法中，若进行步骤S4检测到(Pk＝P0)，则说明搜索到等功率点，停止搜索，但若检测到其他情况则需继续搜索，此时会有以下两种情况：
情况1：若进行步骤S4检测到(Vk>Vk′)&&(Pk>P0)，说明还未搜索到等功率点，则进入步骤S5，执行Fibonacci数列将初始化，通过小步长方式继续搜索等功率点，防止采用大步长使得***出现较大功率偏移，提高***精度，若检测到(Pk＝P0)，则说明搜索到等功率点，停止搜索。
情况2：进行步骤S5检测到(Pk≥P0)&&[Pk≤P0*(1+δ)]，说明该情况下***即将搜索到等功率点，进入步骤S6，缩小搜索范围，执行Fibonacci数列初始化，提高***精度，检测到(Pk＝P0)时，说明搜索到等功率点，此时再执行Fibonacci数列初始化，停止搜索。
在上述两种情况下，Fibonacci数列将初始化，重构搜索范围，来提供***精度，根据案例，试验得到图4。
在图4中可以得到表3：
表3Fibonacci与优化Fibonacci调节下等功率点搜索误差表
Figure GDA0002932323190000111
由表3可以发现，采用本发明所述的基于优化Fibonacci数列的光伏发电***等功率控制的方法，使得起始状态具有小步长，并且收敛速度快的特性，然后在终止时依旧保持较小步长，从而使得***在终止时功率误差率较小。
本发明解决了现有技术中Fibonacci调节，在起始状态具有小步长，并且收敛速度快，然后在终止时依旧保持较大步长，从而使得***在终止时功率误差率较大的问题。
再如图5所示，为光伏电池功率曲线采用优化后的Fibonacci变步长在实际平台的测试情况，图中上部直线晕染带为PV的Boost驱动Duty，图中中部连续曲线晕染带为两路PV电压Vpv，图中下部渐变式直线晕染带为PV的电流ipv，从图中可以看到，在实施本发明所述的方法后，Vpv能在600ms时间内完成等功率追踪，并且在等功率后***处于稳定。这个波形结果进一步验证了表3的数据结果，证实了利用本发明所述的方法相比现有技术来说，确实解决了现有技术中的不足。
应用本发明所述的基于优化Fibonacci数列的光伏发电***等功率控制的方法，可以搭载一种基于优化Fibonacci数列的光伏发电***等功率控制的方法的光伏逆变器发电***，从能源利用与人类社会发展的角度来说，具有极大的进步意义。

Claims (10)

1.基于优化Fibonacci数列的光伏发电***等功率控制的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：测量***光伏阵列侧电压Vpv与电流ipv，算得功率Ppv，并将其存储于数字信号处理器中，追踪***最大功率点；
S2：检测***接收到限载指令，确定初始电压值V0、初始功率值P0，记录***光伏阵列侧电压；
S3：根据限载指令，按照Fibonacci数列，执行ΔV指令，判断ΔP/ΔV方向，ΔV＝Vk-Vk-1，ΔP＝Pk-Pk-1，***确定最大功率点，得到最大功率值Pk-1；
S4：获取填充因子FF的值，预估等功率曲线的电压值Vk′，检测Pk与P0的值的大小关系，执行Fibonacci数列初始化，搜索等功率点；
S5：若检测到(Pk>P0)，则判断Vk与填充因子FF的推算值的接近程度，执行Fibonacci数列初始化，小步长方式逼近Vk′搜索等功率点；
S6：设定误差δ的范围，若检测到(Pk≥P0)且[Pk≤P0*(1+δ)]，则缩小搜索范围，执行Fibonacci数列初始化，检测出(Pk＝P0)，搜索到等功率点；
其中，Vk表示k时刻的电压值，Vk-1表示k-1时刻的电压值，ΔV表示k时刻与k-1时刻的电压差值；Pk表示k时刻的功率值，Pk-1表示k-1时刻的功率值，ΔP表示k时刻与k-1时刻的功率差值。
2.根据权利 要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，***工作稳定时，检测最大功率点处电压Vmppt和***开路电压Voc。
3.根据权利 要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，Pk为ΔP/ΔV方向改变后第一次的值；
***采用电导增量法确定最大功率点；
所述限载指令包括来自于***内部和***外部的指令，且所述数字信号处理器根据限载指令控制逆变器输出交流电。
4.根据权利 要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，填充因子FF＝Vmppt/Voc；
若未完成最大功率，***在0.70～0.85的范围内选取填充因子FF的值。
5.根据权利 要求4所述的方法，其特征在于，若未完成最大功率，则***根据实际光伏面板出厂参数选定填充因子FF的值。
6.根据权利 要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，
Figure FDA0002932323180000021
若检测到(Pk<P0)时，则小步长方式反向搜索等功率点；
若检测到(Pk＝P0)时，搜索到等功率点，则Fibonacci数列初始化，停止搜索；
若检测到(Pk>P0)时，则进入步骤S5，继续搜索。
7.根据权利 要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5中，当(Vk≤Vk′)，则Vk接近FF因子推算值；
当(Vk>Vk′)，则Vk超过填充因子FF的推算值。
8.根据权利 要求1所述的方法，其特征在于，所述方法，采用Fibonacci来实施Vpv参考值扰动，初始值为人为设定的任何值。
9.根据权利 要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6中，设定误差δ为上限误差值。
10.根据权利 要求9所述的方法，其特征在于，设定误差δ为下限误差值。
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Citations (8)

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