CN103995559A

CN103995559A - 一种基于环境参数模型的定电压mppt控制方法和系统

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Publication number: CN103995559A
Application number: CN201410172077.7A
Authority: CN
Inventors: 戴志威; 舒杰; 吴昌宏; 张继元; 吴志锋
Original assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Current assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2034-04-25
Also published as: CN103995559B

Abstract

本发明公开了一种基于环境参数模型的定电压MPPT控制方法和系统，其中，所述方法包括：首先，实时采集太阳能光伏电池的温度T和辐照度^Ee；然后将所述温度T和辐照度^Ee代入预先设定的光伏电池最大功率工作点电压环境参数模型^Vm(^T,^Ee)，得到光伏电池最大功率点电压^Vm；再根据光伏电池最大功率点电压^Vm，调节实时采样得到的太阳能光伏电池的输出电压，实现光伏系统最大功率输出。通过推导出光伏电池最大功率工作点电压的环境参数模型，并采用变目标电压的固定电压控制法，实现光伏系统最大功率输出。同时，该发明控制方法简单，兼顾了系统的控制精度和控制速度，可靠性高，易操作。

Description

一种基于环境参数模型的定电压MPPT控制方法和系统

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电技术领域，尤其涉及的是一种适用于各种小功率等级的光伏发电应用场合的基于环境参数模型的定电压MPPT控制方法和系统。

背景技术

在所有的新能源与可再生能源中，太阳能光伏发电无疑是世界各国最受关注、最有发展前景的方向之一。但是，光伏电池的输出特性受外界环境的影响大，电池表面温度和日照强度的变化都会导致输出特性发生较大变化，因此有必要采用MPPT(Maximum Power Point Tracking最大功率跟踪)控制算法，使光伏电池功率输出最大化。目前的MPPT算法主要有固定电压控制法、扰动观测法、导纳增量法、模糊控制法、神经网络控制法等。然而，上述各种方法均存在一定不足：

固定电压法虽然控制简单，但对最大功率点的变化适应性差，能量损失较大。扰动观察法和导纳增量法转换效率高，但MPPT电路功率开关的占空比调节量Δd为定值，Δd越大，响应速度快，实际应用中，在最大功率点附近振荡较大；Δd越小，最大功率点附近振荡小，系统响应速度慢，跟踪速度和跟踪精度是一对矛盾体，从而对系统也提出了较高要求。而模糊控制法和神经网络控制法等新型智能控制方法的算法实现比较复杂，在实际应用中很少采用。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于光伏电池跟踪效率和跟踪控制精度难以兼得的矛盾。针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于环境参数模型的定电压MPPT控制方法和系统。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于环境参数模型的定电压MPPT控制方法，其中，包括以下步骤：

A、实时采集太阳能光伏电池的温度T和辐照度E_e；

B、将所述温度T和辐照度E_e，代入预先设定的光伏电池最大功率工作点电压环境参数模型V_m(T,E_e)，得到光伏电池最大功率点电压V_m；

C、根据光伏电池最大功率点电压V_m，调节实时采样得到的太阳能光伏电池的输出电压，实现光伏系统最大功率输出。

优选地，所述的基于环境参数模型的定电压MPPT控制方法，其中，所述步骤B中光伏电池最大功率工作点电压环境参数模型V_m(T,E_e)为：

V_{m} (T, E_{e}) = K_{T} T + K_{E_{e}} E_{e} + C;

其中，K_T为温度系数；K_Ee为辐照系数，C为常数。

优选地，所述的基于环境参数模型的定电压MPPT控制方法，其中，所述步骤A中具体包括：

利用温度传感器和标准太阳能光伏电池采集到温度T和辐照度E_e。

优选地，所述的基于环境参数模型的定电压MPPT控制方法，其中，所述步骤C中具体包括：

C1、比较实时采样得到的太阳能光伏电池的输出电压和到光伏电池最大功率点电压V_m；

C2、得到的偏差做比例积分控制DC/DC变换电路功率管的开关，从而控制占空比变化，直至偏差为零。

一种基于环境参数模型的定电压MPPT控制系统，其中，包括：

采集单元，用于实时采集太阳能光伏电池的温度T和辐照度E_e；

计算单元，用于将所述温度T和辐照度E_e，代入预先设定的光伏电池最大功率工作点电压环境参数模型V_m(T,E_e)，得到光伏电池最大功率点电压V_m；

调节单元，用于根据光伏电池最大功率点电压V_m，调节实时采样得到的太阳能光伏电池的输出电压，实现光伏系统最大功率输出。

优选地，所述的基于环境参数模型的定电压MPPT控制系统，其中，所述计算单元中光伏电池最大功率工作点电压环境参数模型V_m(T,E_e)为：

V_{m} (T, E_{e}) = K_{T} T + K_{E_{e}} E_{e} + C;

其中，K_T为温度系数；K_Ee为辐照系数，C为常数。

优选地，所述的基于环境参数模型的定电压MPPT控制系统，其中，所述采集单元中具体包括：利用温度传感器和标准太阳能光伏电池采集到温度T和辐照度E_e。

本发明所提供的基于环境参数模型的定电压MPPT控制方法和系统，通过推导出光伏电池最大功率工作点电压的环境参数模型，并采用变目标电压的固定电压控制法，实现光伏系统最大功率输出。同时，该发明控制方法简单，兼顾了系统的控制精度和控制速度，可靠性高，易操作。

附图说明

图1为本发明提供的基于环境参数模型的定电压MPPT控制方法的流程图。

图2为光伏电池的I-V和P-V特性曲线的示意图。

图3为光伏电池不同温度下的P-V特性曲线的示意图。

图4为光伏电池不同辐照下的P-V特性曲线的示意图。

图5为光伏电池V_m-T特性曲线的实验测量和理论线性近似的示意图。

图6为光伏电池V_m-E_e特性曲线的实验测量和理论线性近似的示意图。

图7为本发明的基于环境参数模型的定电压MPPT控制方法的控制流程的示意图。

图8为本发明的基于环境参数模型的定电压MPPT控制系统的结构框图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于环境参数模型的定电压MPPT控制方法和系统，为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，图1为本发明提供的基于环境参数模型的定电压MPPT控制方法的流程图。如图所示，所述基于环境参数模型的定电压MPPT控制方法包括以下步骤：

S100、实时采集太阳能光伏电池的温度T和辐照度E_e；

S200、将所述温度T和辐照度E_e，代入预先设定的光伏电池最大功率工作点电压环境参数模型V_m(T,E_e)，得到光伏电池最大功率点电压V_m；

S300、根据光伏电池最大功率点电压V_m，调节实时采样得到的太阳能光伏电池的输出电压，实现光伏系统最大功率输出。

下面分别针对上述步骤进行详细介绍：

所述步骤S100为实时采集太阳能光伏电池的温度T和辐照度E_e。具体来说，由温度传感器和辐照传感器分别采集得到当前电池温度和辐照度：温度传感器测量的是光伏电池温度，而非环境温度；辐照测量由标准太阳能光伏电池代替实现。然后将得到的太阳能光伏电池的温度T和辐照度E_e发送到微处理器中。

所述步骤S200为在微处理器中将所述温度T和辐照度E_e，代入预先设定的光伏电池最大功率工作点电压环境参数模型V_m(T,E_e)，得到光伏电池最大功率点电压V_m。此步骤为本发明的关键：最大功率点工作电压V_m(T,E_e)是温度T和辐照度E_e的二元函数。

推论过程如下：

如图2所示，其为光伏电池的I-V和P-V特性曲线的示意图。是系统分析最重要的技术数据之一，图示表明它具有强烈的非线性特性。光伏电池数学模型表达式如下：

I = I_{L} - I_{0} [e^{q (V + {IR}_{s}) / kT} - 1] (1)

I_{L} = I_{L (T_{1})} [1 + K_{0} (T - T_{1})] (2)

I_{L (T_{1})} = E_{e} \times I_{SC (T_{1}, nom)} / E_{e (nom)} (3)

公式中，I,V分别为光伏电池输出电流和输出电压；I_L为光电流；I₀为二极管饱和电流；q为电子电量；R_S为光伏电池等效串联电阻；k为Boltzman常数；T为光伏电池温度；T₁为标准温度；I_L(T1)为标准温度下的实际光电流；K₀为光电流温度系数；E_e为实际辐照度；E_e(nom)为标准辐照度；为标准条件下的光伏电池短路电流。

分析可知，K₀是一个数量级很小的系数，I_L光电流和辐照度近似正比关系。

当I＝0，开路电压V_oc简化为

P＝IV，令求得最大功率工作点：

V_{m} = \frac{kT}{q} 1 n [\frac{1 + (I_{L} / I_{0})}{1 + {qV}_{m} / (kT)}] = V_{OC} - \frac{kT}{q} 1 n (1 + \frac{{qV}_{m}}{kT}); P_{m} = I_{m} V_{m};

分析可知，温度和辐照度是影响光伏电池功率输出最重要的参数，只要确定了温度和辐照度，也就确定了光伏电池的最大功率工作点。

请继续参阅图3和图4，其分别是光伏电池不同温度下的P-V特性曲线和光伏电池不同辐照下的P-V特性曲线的示意图。当电池温度变化，其他条件不变时，定义K_T为温度系数，为一常数，

\frac{{&PartialD; V}_{m} (T, E_{e})}{&PartialD; T} K_{T}

当辐照条件变化，其他条件不变时，定义K_Ee为辐照系数.由于IL与辐照度近似正比，令则I_L＝aE_e，

e^{b V_{m}} (1 + {bV}_{m}) = 1 + ({aE}_{e} / I_{0})

等号右侧为辐照度的一次函数关系，故，

\frac{{&PartialD; V}_{m} (T, E_{e})}{&PartialD; E_{e}} K_{E_{e}}

所以，

V_{m} (T, E_{e}) = K_{T} T + K_{E_{e}} E_{e} + C,

C是常数。

可利用获得三个(T_i,E_ei,V_mi)求解。

由此可知，最大功率点工作电压V_m(T,E_e)是温度和辐照度的二元函数。

请一并参阅图5和图6，其分别为光伏电池V_m-T特性曲线和光伏电池V_m-E_e特性曲线。根据实验测量，一定温度下，光伏电池最大功率点电压随辐照度增加有线性递增的关系；同样，一定的辐照度下，光伏电池最大功率点电压随温度升高有线性递减的关系。

基于上述原理，得到光伏电池最大功率点电压V_m。

所述步骤S300为根据光伏电池最大功率点电压V_m，调节实时采样得到的太阳能光伏电池的输出电压，实现光伏系统最大功率输出。具体来说，包括以下步骤：

S310、比较实时采样得到的太阳能光伏电池的输出电压和到光伏电池最大功率点电压V_m；

S320、得到的偏差做比例积分控制DC/DC变换电路功率管的开关，从而控制占空比变化，直至偏差为零。

在本实施例中，如图7所示，由温度传感器和辐照传感器分别采集得到当前电池温度T和辐照度E_e，利用最大功率点电压模型V_m(T,E_e)求出当前环境下光伏电池最大功率点电压V_m，拿采样得到的光伏电池输出电压和V_m比较，得到的偏差做比例积分控制，来指导DC/DC变换器功率管的开关。由于占空比变化，光伏电池电压V_pv向着减小误差的方向调整直至误差为零，以实现光伏电池最大功率输出。

本发明还提供了一种基于环境参数模型的定电压MPPT控制系统，如图8所示，包括：

采集单元100，用于实时采集太阳能光伏电池的温度T和辐照度E_e；

计算单元200，用于将所述温度T和辐照度E_e，代入预先设定的光伏电池最大功率工作点电压环境参数模型V_m(T,E_e)，得到光伏电池最大功率点电压V_m；

调节单元300，用于根据光伏电池最大功率点电压V_m，调节实时采样得到的太阳能光伏电池的输出电压，实现光伏系统最大功率输出。

进一步地，所述的基于环境参数模型的定电压MPPT控制系统中，所述计算单元中光伏电池最大功率工作点电压环境参数模型V_m(T,E_e)为：

V_{m} (T, E_{e}) = K_{T} T + K_{E_{e}} E_{e} + C;

其中，K_T为温度系数；K_Ee为辐照系数，C为常数。

进一步地，所述的基于环境参数模型的定电压MPPT控制系统中，所述采集单元中具体包括：利用温度传感器和标准太阳能光伏电池采集到温度T和辐照度E_e。

综上所述，本发明提供的基于环境参数模型的定电压MPPT控制方法和系统，其中，所述方法包括：首先，实时采集太阳能光伏电池的温度T和辐照度E_e；然后将所述温度T和辐照度E_e代入预先设定的光伏电池最大功率工作点电压环境参数模型V_m(T,E_e)，得到光伏电池最大功率点电压V_m；再根据光伏电池最大功率点电压V_m，调节实时采样得到的太阳能光伏电池的输出电压，实现光伏系统最大功率输出。通过推导出光伏电池最大功率工作点电压的环境参数模型，并采用变目标电压的固定电压控制法，实现光伏系统最大功率输出。同时，该发明控制方法简单，兼顾了系统的控制精度和控制速度，可靠性高，易操作。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种基于环境参数模型的定电压MPPT控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、实时采集太阳能光伏电池的温度T和辐照度E_e；

2.根据权利要求1所述的基于环境参数模型的定电压MPPT控制方法，其特征在于，所述步骤B中光伏电池最大功率工作点电压环境参数模型V_m(T,E_e)为：

V_{m} (T, E_{e}) = K_{T} T + K_{E_{e}} E_{e} + C;

其中，K_T为温度系数；K_Ee为辐照系数，C为常数。

3.根据权利要求1所述的基于环境参数模型的定电压MPPT控制方法，其特征在于，所述步骤A中具体包括：

4.根据权利要求1所述的基于环境参数模型的定电压MPPT控制方法，其特征在于，所述步骤C中具体包括：

5.一种基于环境参数模型的定电压MPPT控制系统，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的基于环境参数模型的定电压MPPT控制系统，其特征在于，所述计算单元中光伏电池最大功率工作点电压环境参数模型V_m(T,E_e)为：

V_{m} (T, E_{e}) = K_{T} T + K_{E_{e}} E_{e} + C;

其中，K_T为温度系数；K_Ee为辐照系数，C为常数。

7.根据权利要求5所述的基于环境参数模型的定电压MPPT控制系统，其特征在于，所述采集单元中具体包括：利用温度传感器和标准太阳能光伏电池采集到温度T和辐照度E_e。