CN101236446A - 适应天气状况的变电压光伏系统最大功率跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

一种光伏发电技术领域的适应天气状况的变电压光伏系统最大功率跟踪控制方法，首先，通过采集电路采集到某时刻的光伏电池输出的电压、电流和光伏电池板的温度三项数据，计算出该时刻的开路电压值和照度值；然后，将实际优化电压系数乘以开路电压值得到该时刻近似的最佳输出电压值，进行温度和照度的补偿，得到实际的最佳输出电压值，进而得到实际的最佳输出电流值；最后，将负载端的输出值与实际的最佳输出电压和最佳输出电流值进行比较，并基于升降压斩波电路和电压、电流双闭环的比例积分控制来实现最大功率输出。本发明提高了光伏发电系统的输出效率，同时保证了系统运行的稳定性和可靠性。

Description

适应天气状况的变电压光伏系统最大功率跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种光电子技术领域的控制方法，具体是一种适应天气状况的变电压光伏系统最大功率跟踪控制方法。

背景技术

各种可再生能源的利用和研究已日益受到世界各主要发达国家的重视，成为解决能源危机和环境问题的有效手段之一。光伏发电系统可以将能量巨大的太阳能转换成为电能，是未来发电的重要方式之一。但光伏发电系统存在投资成本高、效率低、输出电能不稳定等一系列问题，因此，针对光伏发电系统研究一种高效的最大功率跟踪控制方法是非常必要的。现有技术中的最大功率跟踪控制方法，如恒定电压法、扰动观察法、增量电导法、短路电流法、模糊法、恒定电压和扰动观察相结合的方法等。虽然在一定程度上解决了问题，但都存在精度差、适应性差和跟踪效率低等不足。

经对现有技术的文献检索发现，A.Saadi等在《IEEE ISIE 2006》(美国电气电子工程师协会工业电子国际会议论文集)(2006年7月9-12日，第1716-1720页)上发表的“Optimisation of chopping ratio of back-boostconverter by MPPT technique with a variable reference voltage applied tothe photovoltaic water pumping system”(采用变参考电压最大功率跟踪技术的Back-Boost变换器斩波比优化及其在光伏水泵系统中的应用)，该文中提出变电压跟踪的概念，但是具体如何实现并没有提及。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提出了一种适应天气状况的变电压光伏系统最大功率跟踪(MPPT)控制方法，通过温度和照度(日照强度)的补偿，使光伏发电系统始终输出最大功率。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：

首先，在天气状况发生变化时，通过采集电路采集到某时刻的光伏电池输出的电压、电流和光伏电池板的温度三项数据，再根据上述数据计算出该时刻的开路电压值和照度值；

然后，将实际优化电压系数乘以开路电压值得到该时刻近似的最佳输出电压值，而根据该时刻太阳能电池板的温度和照度值进行温度和照度的补偿，得到实际的最佳输出电压值，进而得到实际的最佳输出电流值；

最后，将实际的最佳输出电压和最佳输出电流值作为给定值，并将负载端的输出值与给定值进行比较，并基于sepic电路(升降压斩波电路)和电压、电流双闭环的比例积分控制来实现最大功率输出。

所述的近似优化电压系数，是指：最佳输出电压与开路电压间存在线性关系，即若最佳输出电压约为开路电压的K1倍，则近似优化电压系数取为K1＝0.76。

所述进行温度补偿，是指：当光伏发电系统的外界温度在-50℃到75℃的范围内变化时，对近似优化电压系数进行补偿，在25℃时，近似优化电压系数等于实际的优化电压系数，所以近似优化电压系数不需要温度补偿，而在其它温度情况下，温度补偿系数为ΔW1＝0.003/℃，在T＞25℃，温度补偿值ΔW为正；否则，温度补偿值ΔW为负，温度补偿公式具体如下：

ΔW＝(T-25)×ΔW1    (1)

其中，T为太阳能电池板的摄氏温度。

所述进行照度补偿，是指：当光伏发电系统的外界日照强度在0W/m²到1000W/m²的范围内变化时，对近似优化电压系数进行补偿，当日照强度S＝750W/m²，近似优化电压系数等于实际优化电压系数，近似优化电压系数不需要照度补偿，在S＞750W/m²时，照度补偿系数为ΔS1＝0.000012m²/W；在S＜750W/m²时，照度补偿系数为ΔS2＝0.00002667m²/W。照度补偿值用ΔS表示，照度补偿公式具体如下：

$\mathrm{\&Delta;S}=\left\{\begin{array}{cc}(S-750)\&times;\mathrm{\&Delta;S}1& S>750W{/m}^2\\ 0& S=750W/m^2\\ (S-750)\&times;\mathrm{\&Delta;S}2& S<750W/m^2\end{array}\right.---\left(2\right)$

所述得到实际的最佳输出电压值，是指综合温度补偿和照度补偿得到实际优化电压系数K，具体如下：K＝K1+ΔW+ΔS，将实际优化电压系数乘以开路电压值得到最佳输出电压值，并将该电压值带入光伏关系式中得到最佳输出电流值，两者的乘积即为最大输出功率值。

所述基于sepic电路和电压、电流双闭环PI(比例积分)控制来实现最大功率输出，具体为：通过电压和电流双闭环PI控制PWM(脉宽调制)的占空比，进而控制sepic电路的的IGBT(绝缘栅双极晶体管)或MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)的开关频率，使sepic电路输出升高或降低的电压值。

所述电压和电流双闭环PI控制，具体是：将最佳输出电压值作为给定值与负载端输出电压值比较，将比较值进行PI调节，输出结果与负载端输出电流值进行比较，将第二次比较值进行PI调节，输出值控制PWM的占空比，而输出的PWM控制IGBT触发端的开关频率，通过sepic电路进行DC/DC(直流-直流)变换，就可以输出最大功率值。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明能够满足光伏发电系统最大功率跟踪的需要，(1)输出效率高：有实验数据表明，一般的跟踪控制方法效率低于90％，而本发明方法在不同的天气状况下光伏电池的输出效率都可以达到99％以上；(2)能量损失少：一般的跟踪方法如爬山法通过扰动光伏系统的输出电压，判断扰动前后系统输出功率的变化情况，并按照使输出功率增加的原则来对系统进行控制，在这种跟踪方法下，振动会一直存在，能量的损失不可避免，而本发明方法的最大输出效率是通过计算得到的，不会存在振动现象；(3)跟踪速度快：一般的跟踪方法如增量电导法计算过程复杂，跟踪速度较慢，在低照度的情况下，跟踪最大功率是非常困难的，而本发明方法在百分之几秒内就可跟踪到最大功率值；(4)性价比高，整个系统电路设计简单，成本低廉，对于提高昂贵的光伏发电系统的性能具有积极意义。

附图说明

图1为本发明控制流程图；

图2为本发明光伏MPPT系统组成示意图；

图3为本发明变电压MPPT算法跟踪效果仿真结果示意图；

图4为本发明电压电流双闭环控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作详细说明：本实施例是在以本发明技术方案为前提下进行的，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图2所示，为执行本实施例方法的光伏MPPT系统，其中：采用第一穿孔式霍尔电流传感器HR1、第一穿孔式霍尔电流传感器HR2分别检测太阳能电池输出电流I1和负载端输出电流I2，型号采用北京华智兴远科技有限公司的HKA-YP系列霍尔电流传感器中的HKA50-YP型，测量电流范围0-150A；采用电阻分压的方式检测太阳能电池输出电压值V1和负载端输出电压值V2，其中，电阻R1和电阻R3阻值取为40KΩ(欧姆)，电阻R2和电阻R4阻值取为10KΩ(欧姆)；采用温度传感器WD检测电池板的温度值T，温度传感器的型号采用美国模拟器件公司生产的集成温度传感器AD590，测温范围-55℃～+150℃。L1为10^-4H(亨)，L2为10^-3H(亨)，C1为10^-6F(法)，C2为10^-3F(法)，IGBT选用富士公司的1MBG05D-060或6MBP50JB060，二极管D1采用IN4148，A/D转换模块使用DSP中的A/D转换模块。上述三项数据V1、I1、T通过A/D转换进入DSP(数字信号处理器)，DSP如图中虚线所示，包括A/D转换模块、变电压MPPT方法模块和变占空比PWM模块。由DSP计算出最佳输出电压值Vmppt，将最佳输出电压值作为给定值与负载端输出电压值V2比较，由双闭环控制将比较值进行PI调节，输出结果与负载端电流值I2进行比较，将比较值进行PI调节，输出值通过DSP控制PWM的占空比，而输出的PWM控制IGBT的开关频率，通过sepic电路进行DC/DC变换，就可以输出最大功率值。

如图1所示，本实施例具体实施流程如下：

步骤一、在时刻n，测量太阳能电池输出电压V1、输出电流I1和电池板温度T三项数据，输出电压V1＝17.3V，输出电流I1＝2.3A，电池板温度T＝15.2℃；

步骤二、由 $I=\mathrm{Iph}-\mathrm{Io}\left[\exp \right\{\frac{q}{\mathrm{nkT}1}\left(V\right)\}-1]$ 计算出该时刻的光生电流值Iph＝2.92A，再将Iph代入 $\mathrm{Voc}=\frac{\mathrm{nkT}1}{q}\mathrm{In}\left(\frac{\mathrm{Iph}}{\mathrm{Io}}\right)$ 计算出该时刻开路电压值Voc＝20.4V；而该时刻的短路电流值Isc≈Iph，即Isc≈2.9A；而由S＝(Isc/Isc(25℃，1KW/m²))×1000可以计算出照度值S＝763W/m²。

其中，Isc(25℃，1KW/m²)是温度为25℃、照度为1KW/m²时的短路电流值，Io是反向饱和电流(A)；Id是流过二极管的电流(A)；q是电子电荷(1.6×10^-19C)；k是波尔兹曼常数(1.38×10^-23J/K)；T1是光伏板绝对温度(273+实际摄氏温度)；A是二极管品质因子(取值范围为1-5)。在本实施例中开路电压Voc(25℃，1KW/m²)、短路电流Isc(25℃，1KW/m²)、二极管品质因子n、反向饱和电流Io分别取22V和3.8A、2.23和8×10^-4A。

步骤三、根据MPPT控制方法判断该时刻是否需要进行温度补偿；在25℃时，近似优化电压系数不需要温度补偿。而在其它温度情况下，温度补偿系数为ΔW1。在T＞25℃，温度补偿值ΔW取正；否则，取负。而该时刻采集到的电池板温度为15.2℃，由温度补偿公式ΔW＝(T-25)×ΔW1，ΔW1为温度补偿系数，得到温度补偿值ΔW＝-0.0294。

步骤四、根据MPPT控制方法判断该时刻是否需要照度补偿；当S＝750W/m²，近似优化电压系数等于实际优化电压系数，所以近似优化电压系数不需要照度补偿。在S＞750W/m²时，照度补偿系数为ΔS1＝0.00012；在S＜750W/m²时，照度补偿系数为ΔS2＝0.000267。而该时刻计算出的日照强度为S＝763W/m²，由照度补偿公式：

$\mathrm{\&Delta;S}=\left\{\begin{array}{cc}(S-750)\&times;\mathrm{\&Delta;S}1& S>750W{/m}^2\\ 0& S=750W/m^2\\ (S-750)\&times;\mathrm{\&Delta;S}2& S<750W/m^2\end{array}\right.---\left(2\right),$ 得到照度补偿值ΔS＝0.00015。

步骤五、由式(3)得到实际的优化电压系数，K＝0.7308，将该时刻的开路电压值乘以实际的优化电压系数K，得到该时刻实际的最佳输出电压值，即Vmppt＝K×Voc＝14.9V，将该值带入下式中，得到最佳输出电流值Imppt＝2.6。

Imppt＝Iph-I0*[exp((q/(n*k*(T+273)))*(Vmppt))-1]    (4)

将最佳输出电压值Vmppt作为给定值与负载端输出电压值V2比较，具体如下：

如Vmppt＞V2，给定值与负载端输出电压值比较结果ΔV＝Vmppt-V2＞0，说明应该提高负载端的电压值，而比较结果ΔV再通过PI调节得到一个输出值，而该值可以作为最佳输出电流值，由于要提高负载端的电压值，所以该最佳输出电流值大于负载端的电流输出值，即比较结果ΔI＝Imppt-I2＞0，经PI调节输出值为正，该值再去控制PWM的占空比，由于输出值为正，则PWM的占空比增加，使sepic电路输出电压升高，即负载端输出电压增加；

如Vmppt＜V2，给定值与负载端输出电压值比较结果ΔV＝Vmppt-V2＜0，说明应该降低负载端的电压值，而比较结果ΔV再通过PI调节得到一个输出值，而该值作为最佳输出电流值，由于要降低负载端的电压值，所以该最佳输出电流值小于负载端的电流输出值，即比较结果ΔI＝Imppt-I2＜0，经PI调节输出值为负，该值再去控制PWM的占空比，由于输出值为负，则PWM的占空比降低，使sepic电路输出电压降低，即负载端输出电压降低，这样就可以实现负载端的最大功率跟踪。

如图4所示，电压电流双闭环控制示意图，将最佳输出电压值Vmppt作为给定值与负载端电压值V2比较，将比较值进行PI调节，输出结果与负载端电流值I2进行比较，将比较值进行PI调节，输出值控制PWM的占空比，而输出的PWM控制IGBT触发端的开关频率，通过sepic电路进行DC/DC变换，就可以输出最大功率值。

如图3所示，为本实施例方法的变电压MPPT方法跟踪效果仿真结果，横轴为光伏电流，纵轴为光伏功率，通过图3可以看出，在同温度不同照度的情况下，提议的变电压MPPT方法得到的最大输出功率值和太阳能电池实际的最大功率输出值基本重合，即通过温度和照度补偿后，本发明所提议的变电压MPPT方法所得到的最大输出功率值可以认为是太阳能电池实际的最大输出功率，输出效率可达99％以上，而且在不同的天气状况下都可以准确跟踪到太阳能电池实际可以输出的最大功率值，仿真结果表明该方法不仅可以准确地跟踪光伏系统的最大功率值，而且跟踪速度快，在百分之几秒内即可跟踪到最大功率值。

Claims (7)

1.一种适应天气状况的变电压光伏系统最大功率跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

首先，在天气状况发生变化时，通过采集电路采集到某时刻的光伏电池输出的电压、电流和光伏电池板的温度三项数据，再根据上述数据计算出该时刻的开路电压值和照度值；

然后，将实际优化电压系数乘以开路电压值得到该时刻近似的最佳输出电压值，而根据该时刻太阳能电池板的温度和照度值进行温度和照度的补偿，得到实际的最佳输出电压值，进而得到实际的最佳输出电流值；

最后，将实际的最佳输出电压和最佳输出电流值作为给定值，并将负载端的输出值与给定值进行比较，并基于升降压斩波电路和电压、电流双闭环的比例积分控制来实现最大功率输出。

2.根据权利要求1所述的适应天气状况的变电压光伏系统最大功率跟踪控制方法，其特征是，所述的近似优化电压系数，是指：最佳输出电压与开路电压间存在线性关系，若最佳输出电压约为开路电压的K1倍，则近似优化电压系数取为K1。

3.根据权利要求1所述的适应天气状况的变电压光伏系统最大功率跟踪控制方法，其特征是，所述进行温度补偿，是指：当光伏发电系统的外界温度在-50℃到75℃的范围内变化时，对近似优化电压系数进行补偿，在25℃时，近似优化电压系数等于实际的优化电压系数，所以近似优化电压系数不需要温度补偿，而在其它温度情况下，温度补偿系数为ΔW1，在T＞25℃，温度补偿值ΔW为正；否则，温度补偿值ΔW为负，温度补偿公式具体如下：

ΔW＝(T-25)×ΔW1

其中，T为太阳能电池板的摄氏温度。

4.根据权利要求1所述的适应天气状况的变电压光伏系统最大功率跟踪控制方法，其特征是，所述进行照度补偿，是指：当光伏发电系统的外界日照强度在0W/m²到1000W/m²的范围内变化时，对近似优化电压系数进行补偿，当日照强度S＝750W/m²，近似优化电压系数等于实际优化电压系数，近似优化电压系数不需要照度补偿，在S＞750W/m²时，照度补偿系数为ΔS1＝0.00012；在S＜750W/m²时，照度补偿系数为ΔS2＝0.000267，照度补偿值用ΔS表示，照度补偿公式具体如下：

$\mathrm{\&Delta;S}=\left\{\begin{array}{cc}(S-750)\&times;\mathrm{\&Delta;S}1& S>750W{/m}^2\\ 0& S=750W/m^2\\ (S-750)\&times;\mathrm{\&Delta;S}2& S<750W/m^2\end{array}\right..$

5.根据权利要求1所述的适应天气状况的变电压光伏系统最大功率跟踪控制方法，其特征是，所述得到实际的最佳输出电压值，是指综合温度补偿和照度补偿得到实际优化电压系数K，具体如下：K＝K1+ΔW+ΔS，将实际优化电压系数K乘以开路电压值得到最佳输出电压值，并将该电压值带入光伏关系式中得到最佳输出电流值，两者的乘积即为最大输出功率值。

6.根据权利要求1所述的适应天气状况的变电压光伏系统最大功率跟踪控制方法，其特征是，所述基于升降压斩波电路和电压、电流双闭环比例积分控制来实现最大功率输出，具体为：通过电压和电流双闭环比例积分控制脉宽调制的占空比，进而控制升降压斩波电路中的绝缘栅双极晶体管或金属氧化物半导体场效应管的开关频率，使升降压斩波电路输出升高或降低的电压值。

7.根据权利要求6所述的适应天气状况的变电压光伏系统最大功率跟踪控制方法，其特征是，所述电压和电流双闭环比例积分控制，具体是：将最佳输出电压值作为给定值与负载端输出电压值比较，将比较值进行比例积分调节，输出结果与负载端输出电流值进行比较，将第二次比较值进行比例积分调节，输出值控制脉宽调制的占空比，而输出的脉宽调制控制绝缘栅双极晶体管触发端的开关频率，通过升降压斩波电路进行直流/直流变换，输出最大功率值。

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