CN104571257B - 一种正弦扰动的光伏mppt非线性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了太阳能发电领域内的一种正弦扰动的光伏MPPT非线性控制方法，其基于增量电导法研究了前置电容动态过程在MPPT中的作用，利用反步法设计了MPPT非线性控制器，针对增量电导法对参数精度要求高的特点，提出设定电流正弦扰动和利用DFT提取扰动值的方法，提高了计算增量电导的精度和速度，通过非线性控制器的设计，保证了系统稳定性，实现了MPPT和电流一体化控制，避免了常规控制中繁琐的逻辑控制，可用于太阳能发电中。

Description

一种正弦扰动的光伏MPPT非线性控制方法

技术领域

本发明涉及一种光伏发电装置，特别涉及一种光伏发电装置控制方法。

背景技术

目前，最大功率跟踪(MPPT)的算法很多，常规的有扰动观察法，电导增量法，固定电压法等。其中，扰动观测法概念清晰，原理简单，被测参数少，但扰动电压的补偿对跟踪精度和速度有较大影响，且在最大功率点附近存在功率振荡现象，日照突变时则有可能失去对最大功率的跟踪能力；电导增量法对MPPT的控制稳定性高，但对系统的硬件要求较高，此外，电压的初始化对系统启动过程中的跟踪性能有较大的影响，若设置不当则可能产生较大的功率损失；固定电压法实际上是一种开环的MPPT算法，其控制简单快速，但忽略了温度对光伏电池输出电压的影响，因此，随着温差的加大，其跟踪的误差也就越大。针对固定补偿的扰动观察法缺点，出现了多种变步长或自适应算法。为减小光伏电池的输出的波动，一般在控制器前加前置电容，一般MPPT控制中没有考虑前置电容对MPPT的影响。随着智能控制理论的发展，遗传算法、模糊逻辑控制、神经网络已被运用到MPPT中。其中典型的是模糊逻辑控制法和神经网络法。MPPT控制中引入模糊控制，使系统能够快速响应外部环境变化，并减小了最大功率点附近的功率振荡。但是定义模糊集、确定隶属函数的形状以及规则表的制定都需要设计人员更多的直觉和经验。神经网络可以满足控制环节实施估算出光伏电池的最大功率点的系统要求，但需要对大量的数据样本学习记忆。

常规的MPPT算法不断搜索最大功率点，属于优化的范畴，存在优化搜索速度和控制响应速度之间的矛盾。

现有技术中的光伏发电装置一般包括主电路和控制电路，如图2所示，主电路包括顺序连接在光伏电池板与电网之间的前置电容C_in、DC/DC电路、高频变压器、整流电路、输出滤波电感L_f和电容C_f，控制电路包括连接在数字信号处理器上用以采集主电路各电流、电压信号的信号采集电路以及转换电路。DC/DC电路包括四个开关管Q1-Q4，开关管Q1与开关管Q3、开关管Q2与开关管Q4均互补动作，即开关管Q1导通时，开关管Q3关闭；且开关管Q1与开关管Q2之间存在一定的移相角s。

发明内容

本发明的目的是提供一种正弦扰动的光伏MPPT非线性控制方法，保证光伏电池的最大功率输出。

本发明的目的是这样实现的：一种正弦扰动的光伏MPPT非线性控制方法，包括以下步骤：

1)采集主电路中光伏电池的输出电流i_in、输出电压u_in、DC/DC电路的输入电流i₁、主电路的输出电压u_o，并将其送入数字信号处理器；

2)数字信号处理器利用公式1计算出DC/DC电路的输入电流i₁的设定值i_set，

$i_{set}=i_{in}+\frac{C_{in}}{k_{pum}}(K_{Mp}\frac{dp}{{\mathrm{du}}_{in}}+K_{Mi}\frac{dp}{{\mathrm{du}}_{in}}dt)......\left(1\right),$

其中，p＝u_ini_in，k_pum为的最大值，K_Mp为MPPT控制环比例系数，K_Mi为MPPT控制环积分系数；

3)数字信号处理器利用公式2计算出DC/DC电路中开关管之间的移相角s，

$s=\frac{{\mathrm{Nu}}_o+L_f\frac{{\mathrm{di}}_{set}}{dt}-K_p(i_1-i_{set})-K_i\∫(i_1-i_{set})dt}{2N^2{u}_{in}}......\left(2\right),$

其中，N为高频变压器的输入输出匝数比，L_f为输出滤波电感，C_f为输出滤波电容，K_p为电流环比例系数，K_i为电流环积分系数；

4)数字信号处理器根据得到的移相角s发出控制信号控制DC/DC电路中的开关管工作，从而实现主电路最大功率输出。

作为本发明的改进，对步骤2)中的设定值i_set引入正弦扰动，使得扰动后设定值i_set＇满足公式3，

其中，i_s1为扰动电流幅值。

作为本发明的改进，步骤2)中计算时，利用公式4，

$\frac{dp}{{\mathrm{du}}_{in}}=\frac{avg\left(\frac{dp}{dt}\frac{{\mathrm{du}}_{in}}{dt}\right)}{avg\[{\left(\frac{{\mathrm{du}}_{in}}{dt}\right)}^2\]}......\left(4\right).$

与现有技术相比，本发明的有益效果在于解决了增量电导计算时对参数敏感问题，解决了扰动量很难确定并减少了最大功率点的功率波动，采用非线性控制设计方法，能保证MPPT过程的系统稳定。本发明基于增量电导法，根据MPPT的控制目标，采用MPPT的非线性设计方法，通过Lyapunov函数推导出控制方程，能保证MPPT控制的稳定性；引入正弦扰动，通过DFT提取光伏输出的电压电流的变化量来计算，将差分运算转化为代数运算，降低了参数测量要求，减小了干扰对微分运算的影响；通过上述措施，实现了MPPT外环控制、电流内环的控制模式，提高MPPT的响应速度，也减小了搜索最大功率点时的功率波动。本发明可用于太阳能发电中。

附图说明

图1为本发明控制原理图。

图2为本发明中主电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

使用本发明的控制方法使用移相全桥DC/DC控制器，该控制器包括主电路和控制电路，如图2所示，主电路包括顺序连接在光伏电池板与直流输出之间的前置电容C_in、DC/DC电路、高频变压器、整流电路、输出滤波电感L_f和电容C_f，控制电路包括连接在数字信号处理器上用以采集主电路各电流、电压信号的信号采集电路以及转换电路。DC/DC电路包括四个开关管Q1-Q4，开关管Q1与开关管Q3、开关管Q2与开关管Q4均互补动作，即开关管Q1导通时，开关管Q3关闭；且开关管Q1与开关管Q2之间存在一定的移相角s；所述控制方法在控制光电电池向电网送电时的具体步骤如下：

1)通过各信号采集电路采集主电路中光伏电池的输出电流i_in、输出电压u_in、DC/DC电路的输入电流i₁、主电路的输出电压u_o，并将其送入数字信号处理器；

2)数字信号处理器利用公式1计算出DC/DC电路的输入电流i₁的设定值i_set，

$i_{set}=i_{in}+\frac{C_{in}}{k_{pum}}(K_{Mp}\frac{dp}{{\mathrm{du}}_{in}}+K_{Mi}\frac{dp}{{\mathrm{du}}_{in}}dt)......\left(1\right),$

其中，p＝u_ini_in，k_pum为的最大值，K_Mp为MPPT控制环比例系数，K_Mi为MPPT控制环积分系数；

3)对该设定值i_set引入正弦扰动，使得扰动后设定值i_set＇满足公式2，

4)数字信号处理器利用公式3计算出DC/DC电路中开关管之间的移相角s，

$s=\frac{{\mathrm{Nu}}_o+L_f\frac{{{\mathrm{di}}_{set}}^{\′}}{dt}-K_p(i_1-{i_{set}}^{\′})-K_i\∫(i_1-{i_{set}}^{\′})dt}{2N^2{u}_{in}}......\left(3\right),$

其中，N为高频变压器的输入输出匝数比，L_f为输出滤波电感，C_f为输出滤波电容，K_p为电流环比例系数，K_i为电流环积分系数；

5)数字信号处理器根据得到的移相角s发出控制信号控制DC/DC电路中的开关管工作，从而实现主电路最大功率输出。

本发明基于增量电导法，根据MPPT的的控制目标，采用MPPT的非线性设计方法，通过Lyapunov函数推导出控制方程；引入正弦扰动，通过DFT提取光伏输出的电压电流的变化量来计算将差分运算转化为代数运算；通过上述措施，实现了MPPT外环控制、电流内环的控制模式，其算法包括以下几个推导过程：

1.MPPT非线性控制过程如下：

(1)电流环控制

直流微网中DC/DC控制器的主电路如图2所示；图中u_o为主电路的输出电压，其控制由主电路中DC/DC电路承担，因此可视为恒压源。L_f、C_f为输出滤波电感和电容。光伏电池在MPPT左侧表现为恒流源特性，可等效为具有最大输出电压限制、始终稳定工作的恒流源，故一般不直接用电压型变换器作为光伏接口，而要在输入端增加前置电容C_in实现电流型特性。图2中u_in、i_in为光伏电池输出的电压和电流，i₁为DC/DC电路的输入电流。i₁满足下列微分方程：

$L_f\frac{{\mathrm{di}}_1}{dt}=2{\mathrm{sN}}^2{u}_{in}-{\mathrm{Nu}}_o......\left(4\right)$

式中N为高频变压器的输入输出匝数比，s为相对于一个周期的移相角，范围为0～0.5。

MPPT控制的目标是寻找合适的输入电流i₁的设定值i_set使光伏电池工作在最大功率状态；因此控制器的电流控制是MPPT的基础；为此设Lyapunov函数V₁为：

$V_1=\frac{1}{2}{L}_f{(i_1-i_{set})}^2+\frac{1}{2}{K}_i{\[\∫(i_1-i_{set})dt\]}^2......\left(5\right)$

对V₁求导并令并利用(4)式得：

$s=\frac{{\mathrm{Nu}}_o+L_f\frac{{\mathrm{di}}_{set}}{dt}-K_p(i_1-i_{set})-K_i\∫(i_1-i_{set})dt}{2N^2{u}_{in}}......\left(6\right)$

(6)式与常规的电流内环的PI控制类似，但包含了输出电压u_o，起到前馈补偿作用，且含有电流设定值的导数，其实质是反步法的设计思想。

(2)MPPT控制

光伏电池的最大功率点位于满足的位置，其中p＝u_ini_in；MPPT的控制变量是i_in或u_in，而DC/DC控制器控制的变量是i₁，它们之间存在电容耦合。常规MPPT控制不区分两者，DC/DC控制器直接控制i_in或u_in，存在概念上的模糊。而输入端前置电容C_in值一般较大，其耦合的动态过程不可忽略，其耦合关系由(7)决定：

$C_{in}\frac{{\mathrm{du}}_{in}}{dt}=i_{in}-i_1......\left(7\right)$

为控制设Lyapunov函数V₂为：

$V_2=\frac{1}{2}{\left(\frac{dp}{{\mathrm{du}}_{in}}\right)}^2+\frac{1}{2}{K}_{Mi}{(\∫\frac{dp}{{\mathrm{du}}_{in}})}^{2}dt......\left(8\right)$

对V₂求导得：

$\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{V}}_2=\frac{dp}{{\mathrm{du}}_{in}}{\left(\frac{dp}{{\mathrm{du}}_{in}}\right)}^{\′}+\frac{dp}{{\mathrm{du}}_{in}}{K}_{Mi}\∫\frac{dp}{{\mathrm{du}}_{in}}dt\\ =\frac{dp}{{\mathrm{du}}_{in}}(\frac{d^{2}p}{{{\mathrm{du}}_{in}}^2}\frac{{\mathrm{du}}_{in}}{dt}+K_{Mi}\∫\frac{dp}{{\mathrm{du}}_{in}}dt)\end{array}......\left(9\right)$

若令则由(9)式得：

$\frac{d^{2}p}{{{\mathrm{du}}_{in}}^2}\frac{{\mathrm{du}}_{in}}{dt}\≤-K_{Mp}\frac{dp}{{\mathrm{du}}_{in}}-K_{Mi}\∫\frac{dp}{{\mathrm{du}}_{in}}dt......\left(10\right)$

对于单峰值的光伏电池总满足设的最大值为k_pum，即

取则(10)式成立。考虑式(7)，得到i₁的设定值i_set：

$i_{set}=i_{in}+\frac{C_{in}}{k_{pum}}(K_{Mp}\frac{dp}{{\mathrm{du}}_{in}}+K_{Mi}\∫\frac{dp}{{\mathrm{du}}_{in}}dt)......\left(11\right)$

结合(6)式，即可得到MPPT外环、电流内环的控制模式，根据反步法原理，可以保证收敛到0。

2.正弦扰动法

由(11)式得到，MPPT控制的前提是准确计算因为微分运算，计算结果容易受干扰影响，且若u_in变化小，容易出现异常数值，因此在MPPT控制过程中必须允许u_in或i_in适当的波动，为此提出设定电流的正弦扰动法，即在(11)式的基础上加一给定频率的正弦量，即

当系统稳定后，i_in、u_in中含有同频率的交流分量。虽然设定值含有交变量，会增加DC/DC控制器电流控制的难度，但本方法并不要求无误差，只要求i₁中含有交流分量，从而导致i_in含有同频率的交变分量，同时导致电池输出电压中同频率的正弦扰动。设光伏电池的输出电流和电压值为：

其中i_dc、u_dc为光伏电池输出对应的直流分量，i_acm、u_acm为因电流扰动引起光伏电池输出的交流分量幅值，因光伏电池电流增加时，输出电压减小，交流分量的相位差为180度，为输出相位，可以与设定电流交流分量的相位不同。输出电压电流的直流量和交流量的分离分别采用DFT滤波器和均值滤波，以电流为例，可用下式表示：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{ac}=\underset{k=0}{\overset{N_1-1}{\Σ}}{i}_{in}\left(k\right)cos\left(\frac{2\mathrm{\π}}{N_1}k\right)\\ i_{ac}=\underset{k=0}{\overset{N_1-1}{\Σ}}{i}_{in}\left(k\right)\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{N_1}k\right)\end{array}\right.......\left(14\right)$

(14)式中N₁为一个周期对应的采样点数。则电流的交流分量可表示为：

i_a＝i_accosωt+i_assinωt……(15)

输出电流的直流分量的均值滤波可由下式表示：

$i_{dc}=\frac{1}{N_1}\underset{k=0}{\overset{N_1-1}{\Σ}}{i}_{in}\left(k\right)......\left(16\right)$

为减少计算量，实际计算时可采用递推DFT和递推均值算法。在上述基础上可利用(17)式计算

$\frac{dp}{{\mathrm{du}}_{in}}=\frac{dp/dt}{{\mathrm{du}}_{in}/dt}......\left(17\right)$

其中

因(17)式中仍是交流量相除，为提高计算抗干扰能力，将(17)中的转换为直流量相除，即

但上式中仍含有2倍频分量，可通过均值滤波去除交流分量，

即

$\frac{dp}{{\mathrm{du}}_{in}}=\frac{avg\left(\frac{dp}{dt}\frac{{\mathrm{du}}_{in}}{dt}\right)}{avg{\left(\frac{{\mathrm{du}}_{in}}{dt}\right)}^2}......\left(18\right)$

经过上述处理，整体控制框图如图1所示，通过采集到的光伏电池的输入电流和电压，利用(18)式计算的到与控制目标比较，通过PI调节后加上光伏电池的输出电流与正弦扰动量作为DC/DC控制器输入电流的基准值，再与检测到的DC/DC控制器的输入电流比较，通过PI调节后由CPU发出控制信号控制系统开关管的通断，使得系统工作在最大功率点。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种正弦扰动的光伏MPPT非线性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采集主电路中光伏电池的输出电流i_in、输出电压u_in、DC/DC电路的输入电流i₁、主电路的输出电压u_o，并将其送入数字信号处理器；

2)数字信号处理器利用公式(1)计算出DC/DC电路的输入电流i₁的设定值i_set，

$i_{set}=i_{in}+\frac{C_{in}}{k_{pum}}(K_{Mp}\frac{dp}{{\mathrm{du}}_{in}}+K_{Mi}\∫\frac{dp}{{\mathrm{du}}_{in}}dt)\mathrm{......}\left(1\right),$

其中，p＝u_ini_in，k_pum为的最大值，K_Mp为MPPT控制环比例系数，K_Mi为MPPT控制环积分系数，C_in为连接在光伏电池板与直流输出之间的前置电容；

所述设定值i_set引入正弦扰动，使得扰动后设定值i_set′满足公式(3)，

其中，i_s1为扰动电流幅值；

且计算时，利用公式(4)，

$\frac{dp}{{\mathrm{du}}_{in}}=\frac{avg\left(\frac{dp}{dt}\frac{{\mathrm{du}}_{in}}{dt}\right)}{avg\[{\left(\frac{{\mathrm{du}}_{in}}{dt}\right)}^2\]}\mathrm{......}\left(4\right).$

3)数字信号处理器利用公式(2)计算出DC/DC电路中开关管之间的移相角s，

$s=\frac{{\mathrm{Nu}}_o+L_f\frac{{\mathrm{di}}_{set}}{dt}-K_p(i_1-i_{set})-K_i\∫(i_1-i_{set})dt}{2N^2{u}_{in}}\mathrm{......}\left(2\right),$

其中，N为高频变压器的输入输出匝数比，L_f为输出滤波电感，C_f为输出滤波电容，K_p为电流环比例系数，K_i为电流环积分系数；

4)数字信号处理器根据得到的移相角s发出控制信号控制DC/DC电路中的开关管工作，从而实现主电路最大功率输出。