基于混合逻辑动态的MPPT建模仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于混合逻辑动态的MPPT建模仿真方法，包括T‑G‑P模型构建、基于MLD模型的功率预测控制、参数设计、建模仿真等步骤。本发明专利技术主要包含光伏变换器的系统搭建、温度‑光强‑功率（T‑G‑P）三者的环境参数因子的MPPT建模、系统安全运行约束条件的动态模型预测控制算法三个方面。在最优约束条件下对所需的目标参数进行运算，来获得可直接应用于最大功率点跟踪的最优控制函数方程；最终将获得的最优控制输出的占空比从而用来调节变换器来实现跟踪目标电流的目的，最终达到最优控制。

【技术实现步骤摘要】
基于混合逻辑动态的MPPT建模仿真方法
本专利技术涉及一种基于混合逻辑动态的MPPT建模仿真方法。
技术介绍
基于光伏阵列的输出电压及电流同时具备非线性这一显著特点，充分考虑到外界环境变化对于最大功率点变化的影响，提出了一种最大功率点(MPP)与外界环境参数的函数模型。同时，将整个系统的约束边界问题运用到安全操作和被控过程中。对此提出一种优化方式，通过对约束条件下控制系统性能函数的下界和上界进行求解，最终对混合整数进行求解，从而得出关于系统二次优化的控制目标。针对以往研究中的问题，提出新的解决途径，如有文献提出的粒子群优化算法本质上说是一种全局扫描法，但对于粒子群以及步长的选择却不易实现，如扫描步长太大或粒子群范围选择的太小，会遗漏最大功率点，反之，若步长太小或粒子群范围选择太大则又降低了整个系统运行的效率。有文献提出的一种PSO方法虽然收敛速度很快而且能准确跟踪到最大功率点，但在实际运行中会出现反复震荡的现象，为解决该问题，通常需要增加特定的硬件系统来实现对功率的稳定输出，显然，增大了成本以及系统的繁杂性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种实现优异控制、工作性能好的基于混合逻辑动态的MPPT建模仿真方法。本专利技术的技术解决方案是：一种基于混合逻辑动态的MPPT建模仿真方法，其特征是：包括下列步骤：(1)T-G-P模型构建通过建立温度-光强-功率，即T-G-P的曲面拟合来实现温度T、光强G的二维输入，功率P的一维输出，通过对模型的建立，实时地对光强和温度进行采集，计算出此时的最大功率，作为后期BOOST变换器的输入控制目标；综合P-V，V-I仿真曲线在光照强度由100W/M2变化到1000W/M2，温度由5℃-50℃，利用曲面拟合工具，得到功率输出曲面图；功率的计算模型通过拟合函数用P＝f(T,G)来描述；通过改变函数的复杂程度以及控制过程中的拟合精度，利用拟合工具和全局最优法；通过输入25组光强、温度首先得到对应的输出电流，如(1)式；其中C1＝-0.1732，C2＝0.1145，C3＝4.1021e-4，C4＝2.9e-3，C5＝2.35e-4，由于光伏发电中的电力电子元器件参数在一定的工作时间内基本是确定的，因此拟合得到的函数参数也有较高的精确性；工作一定时间后，可以再一次改变拟合函数的参数，使得模型的拟合精度达到99％以上，完全满足工程以及仿真需求；为了说明拟合效果，先采用三组不同拟合数据对，为代表一般性，加入一组光强很小的情况组成四组数据：R＝1000W/M2，T＝45℃；R＝600W/M2，T＝20℃；R＝600W/M2，T＝35℃；R＝150W/M2，T＝30℃，坐标对应分别为X：温度T/℃；Y：光照强度R/(W/M2)；Z：功率P/W；(2)基于MLD模型的功率预测控制1)MLD模型由于BOOST变换电路模型同时具有混杂性和非线性，且这两个特性都可以实现用混合逻辑动态模型来构造；根据占空比在一个周期内为恒定值，仅当k为时间T的整周期时才会有所改变，因此构造离散控制器和离散模型进行实现；对DC-DC变换器的构造采用M步进行建模，构造出MLD模型，首先将PWM波的周期T划分为M段，此时每一小段新的时长为：τS＝TS/MS,M≥1,为了实现控制效果最优，这里的M取大于3的数；对分段过程进行简单表示，η(i),i∈{1,2,3...M}代表第i个子周期中系统的状态，对于各个周期，时间tk和tk+1就分别代表η(0)和η(M)；在子周期的开关模态与理想开关所处的位值对应每个子周期都插入一个开关变量δi，代表理想开关的通断，即δi＝0代表此时的第i个子周期开关是关断的；同理δi＝1代表此时第i个子周期开关是导通的；由δi＝1→d(k)≥i/M容易看出，占空比与开关变量是密切相关的；当引入开关变量同时把M段子周期分成三种状态；1代表导通模式，此时开关是闭合的；2代表断开模式，此时开关是断开的；3代表一种过渡模式，此时状态的改变由开关量的变化来实现；与周期T相比，导通时间ton通常小于T，即占空比ton/T介于0-1之间，三种状态用下式等效：其中：α＝Md(k)-n,β＝1-Md(k)+n这样就把一个周期内的变化用M段分步法清楚的表示了出来，且t∈[kTs,(k+1)Ts]周期中的系统状态精确的用离散序列η(n),n＝0,1,2,3......M表达了；接下来通过逻辑变量和不等式约束的线性动态方程就能将非线性系统表示，MLD系统模型的描述如(3)式：上式中，u可以包括离散和连续输入，即δ—逻辑变量，g—辅助变量，可以作为连续变量和逻辑变量的乘积x·δi，也可作为逻辑变量δiδj的乘积；其中：x(k+1)＝(i(k+1),v0(k+1))'包含被控对象；其中M值取2，则η(0)＝x(k)，η(2)＝x(k+1)，其中的η(2)如式(4)：最后，将其中的辅助变量和控制变量进行分开表示，整理化简得式(5)：则系统状态就能用上一个状态x(k)，离散模型矩阵z(k)和辅助矩阵d(k)来表示；其中的初始状态、矩阵系数已知，只需要对辅助变量进行求解即可；通过(5)式求出电流的输出，式子中的R和z(k)如式(6)(7)；将式子中的辅助变量用不等式进行等价代换，获得线性不等式(8)：式子中的ο一般设定为系统的精确度，取值通常很小，式子中取值为0.002；δ(k)＝[δ1(k),δ2(k)]T，g(k)是辅助变量的乘积；考虑到二极管自身反向击穿电压问题，需要设定最大安全电流M＝imax，通过上边的线性不等式得到矩阵方程(9):E2δ(k)+E3g(k)≤E1d(k)+E4x(k)+E5用以上DC/DC系统的MLD模型用作预测控制模型并计算出下一时刻的预测占空比d(k+1)以及预测电流i(k+1)；综合T-G-P模型计算出目标的跟踪电流，从而将该目标电流应用到BOOST变换器的预测控制器中；2)基于MLD模型预测控制器的设计在整个光伏发电系统中，BOOST变换器的输出要时刻根据外界环境的影响进行调节；当实时的测得外界参数：温度T，光照G，经过T-G-P模型计算出当前和接下来一段时间所对应的最大功率点，当完成光伏阵列的输出电压测量后，便可以计算出输入预测控制器模块的参考电流i*；最后，通过求解性能指标A获得最优占空比d(tk)，将此作为BOOST变换器的控制信号，从而用来调节负载电压及电流，使其和参考电流保持一致，从而使得光伏阵列始终工作在最大功率点上；根据以上温度-光强-功率模型，光伏变换器中的空间状态方程、MLD模型，最终确立目标函数的性能指标如下:式中j,k均是时间状态参数；Δd(k+j-1/k)为k时刻预测得到k+j与k+j-1时刻的占空比差值；Q＝QT≥0Qy,Qm,均为正定矩阵；i·(j)为k+j时刻的参考电流；i(k+j/k)表示第k时刻输出k+j时刻的预测电流；M是控制时域，P是预测时域，得出预测输出电流表达式(11)：i(k+j/k)＝ζ·x(k)+Ω·γ(k+j/k)(11)式中ζ＝C·(A',A'2,K,A'P)T，Ω＝C·(P1P2P3)其中C＝(10)是输出矩阵；γ(k+j/k)＝(d(i),δ(i),z(i))T，i(k+j/k)是k时刻输出的k+j时刻的预测电流；由以上分析，最终完成目本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于混合逻辑动态的MPPT建模仿真方法，其特征是：包括下列步骤：(1)T‑G‑P模型构建通过建立温度‑光强‑功率，即T‑G‑P的曲面拟合来实现温度T、光强G的二维输入，功率P的一维输出，通过对模型的建立，实时地对光强和温度进行采集，计算出此时的最大功率，作为后期BOOST变换器的输入控制目标；综合P‑V，V‑I仿真曲线在光照强度由100W/M

【技术特征摘要】
1.一种基于混合逻辑动态的MPPT建模仿真方法，其特征是：包括下列步骤：(1)T-G-P模型构建通过建立温度-光强-功率，即T-G-P的曲面拟合来实现温度T、光强G的二维输入，功率P的一维输出，通过对模型的建立，实时地对光强和温度进行采集，计算出此时的最大功率，作为后期BOOST变换器的输入控制目标；综合P-V，V-I仿真曲线在光照强度由100W/M2变化到1000W/M2，温度由5℃-50℃，利用曲面拟合工具，得到功率输出曲面图；功率的计算模型通过拟合函数用P＝f(T,G)来描述；通过改变函数的复杂程度以及控制过程中的拟合精度，利用拟合工具和全局最优法；通过输入25组光强、温度首先得到对应的输出电流，如(1)式；其中C1＝-0.1732，C2＝0.1145，C3＝4.1021e-4，C4＝2.9e-3，C5＝2.35e-4，由于光伏发电中的电力电子元器件参数在一定的工作时间内基本是确定的，因此拟合得到的函数参数也有较高的精确性；工作一定时间后，可以再一次改变拟合函数的参数，使得模型的拟合精度达到99％以上，完全满足工程以及仿真需求；为了说明拟合效果，先采用三组不同拟合数据对，为代表一般性，加入一组光强很小的情况组成四组数据：R＝1000W/M2，T＝45℃；R＝600W/M2，T＝20℃；R＝600W/M2，T＝35℃；R＝150W/M2，T＝30℃，坐标对应分别为X：温度T/℃；Y：光照强度R/(W/M2)；Z：功率P/W；(2)基于MLD模型的功率预测控制1)MLD模型由于BOOST变换电路模型同时具有混杂性和非线性，且这两个特性都可以实现用混合逻辑动态模型来构造；根据占空比在一个周期内为恒定值，仅当k为时间T的整周期时才会有所改变，因此构造离散控制器和离散模型进行实现；对DC-DC变换器的构造采用M步进行建模，构造出MLD模型，首先将PWM波的周期T划分为M段，此时每一小段新的时长为：τS＝TS/MS,M≥1,为了实现控制效果最优，这里的M取大于3的数；对分段过程进行简单表示，η(i),i∈{1,2,3...M}代表第i个子周期中系统的状态，对于各个周期，时间tk和tk+1就分别代表η(0)和η(M)；在子周期的开关模态与理想开关所处的位值对应每个子周期都插入一个开关变量δi，代表理想开关的通断，即δi＝0代表此时的第i个子周期开关是关断的；同理δi＝1代表此时第i个子周期开关是导通的；由δi＝1→d(k)≥i/M容易看出，占空比与开关变量是密切相关的；当引入开关变量同时把M段子周期分成三种状态；1代表导通模式，此时开关是闭合的；2代表断开模式，此时开关是断开的；3代表一种过渡模式，此时状态的改变由开关量的变化来实现；与周期T相比，导通时间ton通常小于T，即占空比ton/T介于0-1之间，三种状态用下式等效：其中：α＝Md(k)-n,β＝1-Md(k)+n这样就把一个周期内的变化用M段分步法清楚的表示了出来，且t∈[kTs,(k+1)Ts]周期中的系统状态精确的用离散序列η(n),n＝0,1,2,3......M表达了；接下来通过逻辑变量和不等式约束的线性动态方程就能将非线性系统表示，MLD系统模型的描述如(3)式：上式中，u可以包括离散和连续输入，即δ—逻辑变量，g—辅助变量，可以作为连续变量和逻辑变量的乘积x·δi，也可作为逻辑变量δiδj的乘积；其中：x(k+1)＝(i(k+1),v0(k+1))'包含被控对象；其中M值取2，则η(0)＝x(k)，η(2)＝x(k+1)，其中的η(2)如式(4)：最后，将其中的辅助变量和控制变量进行分开表示，整理化简得式(5)：则系统状态就能用上一个状态x(k)，离散模型矩阵z(k)和辅助矩阵d(k)来表示；其中的初始状态、矩阵系数已知，只需要对辅助变量进行求解即可；通过(5)式求出电流的输出，式子中的R和z(k)如式(6)(7)；将式子中的辅助变量用不等式进行等价代换，获得线性不等式(8)：式子中的ο一般设定为系统的精确度，取值通常很小，式子中取值为0.002；δ(k)＝[δ1(k),δ2(k)]T，g(k)是辅助变量的乘积；考虑到二极管自身反向击穿电压问题，需要设定最大安全电流M＝imax，通过上边的线性不等式得到矩阵方程(9):用以上DC/DC系统的MLD模型用作预测控制模型并计算出下一时刻的预测占空比d(k+1)以及预测电流i(k+1)；综合T-G-P模型计算出目标的跟踪电流，从而将该目标电流应用到BOOST变换器的预测控制器中；2)基于MLD模型预测控制器的设计在整个光伏发电系统中，BOOST变换器的输出要时刻根据外界环境的影响进行调节；当实时的测得外界参数：温度T，光照G，经过T-G-P模型计算出当前和接下来一段时间所对应的最大功率点，当完成光伏阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨奕，王建山，杨元培，张桂红，顾海勤，李俊红，胡海涛，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32