CN104836523B - 基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组 - Google Patents
基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组，包括光伏电池单元接口；光伏电池电压均衡单元；SEPIC馈电升降压变换单元，其与光伏电池电压均衡单元串联连接；锂离子电池单元接口；投切单元，其与SEPIC馈电升降压变换单元和锂离子电池单元分别相连；主控单元，其与投切单元和2‑Lyapunov极值搜索MPPT控制器单元分别相连，2‑Lyapunov极值搜索MPPT控制器单元，包括对光伏电池电压均衡单元进行极值搜索的前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元，及对SEPIC馈电升降压变换单元进行极值搜索的后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元，两者交替进行极值搜索。
Description
技术领域
本发明属于光伏锂电领域，尤其涉及一种基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组。
背景技术
太阳能作为一种新型能源已经引起人们的日益重视，作为其主要应用之一的光伏发电有着广阔的市场前景。然而，太阳能的主要缺点是能量不稳定，其白天有晚上无，晴天强阴天弱，通常需要配备储能电池来平抑太阳能不稳定性的影响。因此，光伏储能发电系统应运而生，其包括用于将太阳能转换成电能的光伏电池及用于存储光伏电池产生电能的储能电池。现有的储能电池主要包括铅酸电池和锂离子电池等。
由于铅酸蓄电池具有性能稳定、安全可靠、价格便宜等优势，目前占据了光伏系统储能95％以上的市场份额。但是，铅酸电池有其固有的缺点，其一是能量密度很低(30～50Wh/kg)，使得系统非常庞大、笨重，其二是循环寿命很短(300～500次循环)，导致使用年限短(一般2～3年)。而锂电池具有非常高的能量密度，是铅酸电池的3～4倍，循环寿命长，可以达到3000次以上，在光伏储能发电领域中具有非常大的应用潜力。目前制约其发展和推广的一个因素是价格高，以12V/100Ah电池组为例，免维护阀控铅酸电池的市场售价为1000～1500元，而磷酸铁锂电池组市场价格为3000～4000元，是铅酸电池价格的3～4倍。但考虑磷酸铁锂电池循环寿命是铅酸电池的4～5倍，太阳能储能系统中采用锂电池反而会比铅酸电池更为经济。目前市场上已经有太阳能系统专用锂离子电池组出售，国内的电信运行商也在积极调研锂电池在通信领域中的应用前景。锂电池在储能电源、电动车辆等多方面的应用研究也在如火如荼的开展之中。可以预见，随着锂电池技术的逐步成熟，锂电池将会逐步替代铅酸电池而成为光伏发电系统储能的主力军。
现有的锂离子电池储能方式主要为：首先将多个锂离子电池串联成组，再与光伏电池电连接。然而，由于很难保证该多个锂离子电池在充放电过程中的性能均一，因此在进行充放电时容易出现锂离子电池间充放不均衡或单个锂离子电池过充、过放，使整个锂离子电池组的循环使用寿命大大降低。此外，当其中一个锂离子电池过充时，该锂离子电池内部会因不可逆的化学反应而释放热量，进而使该锂离子电池内部温度升高而引发起火、爆炸；而当其中一个锂离子电池过放时，该锂离子电池会发生短路，进而使与其串联的其他锂离子电池的电压过高，并引发起火、爆炸。因此，当其中一个锂离子电池过充或过放时，不仅会使整个锂离子电池组的循环使用寿命降低，也会存在诸多安全隐患。
为了提高锂离子电池组使用寿命和光伏锂电储能发电系统的安全性，目前已提出基于锂离子电池无均衡管理的光伏锂电储能系统，其结构和功能为，其包括多个相互串联的光伏蓄电模块，该每个光伏蓄电模块包括一锂离子电池单元及一用于向所述锂离子电池单元充电的光伏电池单元，并且进一步包括一用于控制所述锂离子电池单元进行充电和放电、并分别与所述光伏电池单元和所述锂离子电池单元电连接的电池管理单元。
电池管理单元通过简单的电压比较和切换控制实现所述光伏电池单元对所述锂离子电池单元的充电、所述锂离子电池单元的放电及模块的对外供电，通过模块的独立控制，降低了锂离子电池单体容量差异对于系统影响，实现了串联锂离子电池组的无均衡管理，提高了系统的循环使用寿命和安全性。
但现有光伏锂电储能系统中所涉及的光伏电池单元能量利用率，光伏电池单元对锂离子电池单元的充电效率等方面均有较大的改进空间。由于现有光伏锂电储能系统的光伏电池单元串接有防反接保护的二极管，以二极管直连的方式实现光伏电池单元对锂离子电池单元的充电，其正向压降的存在导致光伏电池单元对锂离子电池单元的充电效率偏低，降低了所述光伏电池单元的能量利用率，无法充分的利用所述光伏电池单元的供电潜力。同时，虽然有无均衡管理光伏锂电储能系统，但是未能有效改善光伏电池阴影效应的影响，从而降低了光伏电池单元的能量利用率。
发明内容
为了解决现有技术的缺点，本发明提供一种基于李雅普诺夫(Lyapunov)开关极值搜索的光伏储能发电模组，以提高所述光伏电池单元的能量利用率和光伏电池单元对锂离子电池单元的充电效率，更加合理的在模组对外供电中实现光伏电池单元和锂离子电池单元的能量管理，以延长模组的循环使用寿命。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组，包括：
一光伏电池单元接口，所述光伏电池单元接口用于连接至少包括一光伏电池的光伏电池单元；
一光伏电池电压均衡单元，所述光伏电池电压均衡单元控制光伏电池单元的电压均衡；
一SEPIC馈电升降压变换单元，所述SEPIC馈电升降压变换单元与光伏电池电压均衡单元串联连接；
一锂离子电池单元接口，所述锂离子电池单元接口用于连接包括一锂离子电池或相互并联的多个锂离子电池的锂离子电池单元；
一投切单元，其与SEPIC馈电升降压变换单元和锂离子电池单元分别相连，用于控制所述光伏储能发电模组的向外输出和输出切断；
一主控单元，其与投切单元和2-Lyapunov极值搜索MPPT控制器单元分别相连，所述2-Lyapunov极值搜索MPPT控制器单元，包括前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元和后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元，两者交替进行极值搜索；所述前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元对光伏电池电压均衡单元进行极值搜索，所述后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元对SEPIC馈电升降压变换单元进行极值搜索。
所述光伏电池单元包括至少一光伏电池，当光伏电池单元包括多个光伏电池时，多个光伏电池相互并联或串联。
考虑工作温度的影响，当所述锂离子电池单元充电时，所述锂离子电池单元有一浮充充电荷电状态，对应不同温度下的相应浮充充电电压；当所述锂离子电池单元放电时，所述锂离子电池单元有一放电截止荷电状态，对应不同温度下的相应放电截止电压。
所述光伏电池电压均衡单元由两级或多级斩波电路串联构成。
所述光伏电池电压均衡单元的两级或多级斩波电路的稳态控制占空比关系为：
其中，V1,V2,…,Vn分别为所述光伏电池的输出电压；分别为所述光伏电池电压均衡单元的开关管Q1,Q1,…,Qn的稳态关断占空因数，并且有
所述SEPIC馈电升降压变换单元由一SEPIC馈电升降压变换器构成，其通过后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元实现所述光伏储能发电模组中光伏电池单元在不同辐照度条件下与锂离子电池单元之间的电压匹配。
所述SEPIC馈电升降压变换单元的稳态控制占空比D1的表达式为：
其中，Vin表示SEPIC馈电升降压变换单元的输入电压值；Vout表示SEPIC馈电升降压变换单元的输出电压值。
所述前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元和后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元的Lyapunov候选函数V(xa)为
其中，xa表示矩阵；表示矩阵xa的转置矩阵；P表示构造的Lyapunov矩阵。
所述前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元和后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元均包括阻尼衰减控制单元及与其串联连接的延时控制单元；当Lyapunov候选函数V(xa)的数值达到设定阈值ε时，阻尼衰减控制单元对占空比扰动幅值进行阻尼衰减，再通过延时控制单元延时使能信号。
当所述基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组的光伏电池单元达到最大输出功率时，存在
所述基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组，通过检测输出电流io来实现最大功率跟踪；其中，D为电压均衡单元的稳态控制占空比；ηcov为控制单元的总体变换效率；vbat为锂离子电池单元电压，Vbat为vbat的恒定值；Vpv为光伏电池的输出电压；ppv为光伏电池输出功率。
所述光伏电池为单晶硅光伏电池，或多晶硅光伏电池，或非晶硅光伏电池，或多元化合物薄膜光伏电池，或聚合物多层修饰电极型光伏电池，或纳米晶光伏电池，或有机光伏电池。
所述锂离子电池为磷酸铁锂电池，或钴酸锂电池，或锰酸锂电池，或锰酸钴锂电池。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组的功率级由前级电压均衡单元以及后级SEPIC馈电升降压变换单元组成的两级结构构成，前级电压均衡单元和后级SEPIC馈电升降压变换单元中的开关器件均为损耗较低的金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，相较于二极管直连方式损耗更小，因此能够显著提高光伏储能模组的锂电充电效率以及模组的对外供电效率；
(2)本发明的前级电压均衡单元能够实现相互串联的光伏电池之间的自适应电压均衡，从而有效提高光伏电池的输出功率，在基于Lyapunov开关的两级极值搜索控制的作用下，提高光伏储能模组的全局MPPT工作效率，有助于在更加高效的模组对外供电中实现光伏电池单元和锂离子电池单元更加有效的能量管理，以延长模组的使用寿命，特别是锂离子电池单元的循环使用寿命。
附图说明
图1为本发明的基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组原理图；
图2为本发明的基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组基于2-Lyapunov开关的耦合极值搜索控制策略原理图；
图3为本发明的基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组中光伏电池模块不同辐照度分布时的MPPT跟踪输出功率曲线；
图4为本发明的基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组的控制单元在不同辐照度分布时的占空比响应曲线；
图5为本发明的基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组的控制单元在不同辐照度分布时的光伏电池电压均衡单元Lyapunov函数曲线；
图6为本发明的基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组的控制单元在不同辐照度分布时SEPIC馈电升降压变换单元Lyapunov函数曲线。
其中，10、基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组；12、光伏电池单元；120、光伏电池；14、光伏电池电压均衡单元；16、SEPIC馈电升降压变换单元；18、锂离子电池单元；20、投切单元；202、正输出端；204、负输出端；206、投切继电器；22、2-Lyapunov极值搜索MPPT控制单元；222、前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元；223、前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元阻尼衰减模块；224、后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元；225、后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元阻尼衰减模块；226、前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元延时控制模块；228、后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元延时控制模块；24、主控单元。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
本说明书通篇对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及，其含义是与该实施例或示例相关地描述的具体特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此,此说明书通篇各种地方中短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”的出现未必全指同一实施例或示例。此外,在一个或多个实施例或示例中,可以以任何合适的组合和/或子组合来组合具体的特征、结构或特性。此外，同此提供的附图是出于对本领域的普通技术人员的说明目的，并且绘图未必按比例绘制。
以下将结合附图详细说明本发明实施例的基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组。如图1所示，本发明第一实施例提供一种基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组10，该基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组包括一光伏电池单元12、一锂离子电池单元18以及一模组能量管理单元。所述能量管理单元进一步包括一光伏电池电压均衡单元14、一SEPIC馈电升降压变换单元16、一投切单元20及控制上述单元工作的主控单元24以及该主控单元24所属的2-Lyapunov极值搜索MPPT控制单元22。
所述光伏电池单元12包括至少一光伏电池，当该光伏电池单元包括多个光伏电池120时，该多个光伏电池120相互并联或串联。具体为，如果要提高该光伏电池单元12的输出电压，可将该多个光伏电池120串联，如果要提高该光伏电池单元的输出电流，可将该多个光伏电池120并联。另外，在光伏电池单元中，也可先将多个光伏电池120串联或并联成光伏电池组，再将该多个光伏电池组并联或串联。该光伏电池120可选用现有的光伏电池，如单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池、非晶硅光伏电池、多元化合物薄膜光伏电池、聚合物多层修饰电极型光伏电池、纳米晶光伏电池或有机光伏电池。
所述锂离子电池单元18包括至少一锂离子电池，当该锂离子电池单元包括多个锂离子电池时，该多个锂离子电池相互并联，以增大所述锂离子电池单元18的容量，避免单个锂离子电池发生过充或过放现象，所述锂离子电池可选用现有的锂离子电池，如磷酸铁锂电池、钴酸锂电池、锰酸锂电池或锰酸钴锂电池等。根据选用的锂离子电池种类的不同，所述锂离子电池单元18在正常工作温度下的工作电压范围也不同，如当该离子电池为磷酸铁锂电池时，其在正常工作温度下的工作电压范围为2.5V～3.6V；而当该锂离子电池为普通锂电池时，其在正常温度下的工作电压范围为3.2V～4.2V，该工作电压范围会随着温度的不同而变化。考虑工作温度的影响，当所述锂离子电池单元18充电时，所述锂离子电池单元有一浮充充电荷电状态，对应不同温度下的相应浮充充电电压；当所述锂离子电池单元18放电时，所述锂离子电池单元18有一放电截止荷电状态，对应不同温度下的相应放电截止电压。
所述能量管理单元用于控制光伏电池单元12对锂离子电池单元18的充电，并控制光伏电池单元12及锂离子电池单元18的对外供电，并对锂离子电池单元18进行浮充管理。所述投切单元20用于控制模组向外输电，并对锂离子电池单元18进行过放电保护。
本发明实施例提供的基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组10中，所述光伏电池电压均衡单元14由两级或多级斩波电路构成，通过2-Lyapunov极值搜索MPPT控制单元22的所述前级电压均衡Lyapunov开关极值搜索控制子单元222实现所述由相互串联的光伏电池120构成的光伏电池单元12中各个相互串联的光伏电池120之间输出电压的均衡，以改善阴影效应对串联光伏电池工作状态的影响，提高光伏电池单元12的输出功率，避免局部热点的出现，提高所述光伏电池单元12的稳定性，进而提高基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组10的稳定性。所述光伏电池电压均衡单元14的两级或多级斩波电路的稳态控制占空比关系为：
其中，V1,V2,…,Vn分别为所述光伏电池120的输出电压；分别为所述光伏电池电压均衡单元14开关管Q1,Q1,…,Qn的稳态关断占空因数，并且有
由于基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组10的锂电池单元18的输出电压在2.5～3.6V(3.2～4.2V)之间，因此，考虑低辐照度时光伏电池单元12的输出电压降，所述光伏电池单元12通常由两块相互串联的定制光伏电池120构成，所述配置在改善阴影效应的基础上，不仅可简化光伏电池电压均衡单元14的控制策略，也不致使SEPIC馈电升降压变换单元16工作于过高的降压比状态下，简化所述SEPIC馈电升降压变换单元16的设计实现。图2中示出了2-Lyapunov极值搜索MPPT控制单元222。
此外，本发明实施例提供的基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组10中，所述SEPIC馈电升降压变换单元16由一SEPIC馈电升降压变换器构成，通过所述2-Lyapunov极值搜索MPPT控制单元22的所述后级SEPIC馈电升降压变换Lyapunov开关极值搜索控制子单元224实现基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组10中所述光伏电池单元12在不同辐照度条件下与所述锂离子电池单元18之间的电压匹配，图2中示出了后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元224。所述SEPIC馈电升降压变换单元16的稳态控制占空比D1的表达式为：
其中，Vin表示SEPIC馈电升降压变换单元的输入电压值；Vout表示SEPIC馈电升降压变换单元的输出电压值。
所述前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元222和所述后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元224中，Lyapunov候选函数为
其中，所述Lyapunov候选函数在平衡点或极值点局部正定，其中的极值搜索均值信号集为，
其单位周期内的均值为，
其中η(σ)为SEPIC馈电升降压变换单元输出电流的高通滤波采样值；ξ(σ)为SEPIC馈电升降压变换单元输出电流低通滤波并添加正弦扰动后的低通滤波采样值；为对ξ(σ)的k-积分采样值；对于公式(4)中的Lyapunov候选开关函数，其对应的Lyapunov矩阵P满足
其中，I表示单位矩阵。
构造的Hurwitz渐近稳定Jacobian矩阵Ja为，
其中，k为幅值衰减速率；ωh为离散高通滤波器截止频率；ωl为离散低通滤波器截止频率；a0为周期正弦激励信号扰动幅值。
设系统函数为h(θ)＝f(D+θ)-f(D)，将所述光伏电池输出极值特性进行偏移处理。式(8)中的求导h′(0)和h″(0)均基于简化的解耦光伏电池模型解析表达式计算，即
其中，D表示电压均衡单元的稳态控制占空比；Iph1和Iph2分别为简化的光伏电池模型等效光生电流；Io1和Io2分别为简化光伏电池模型等效二极管反向饱和电流；a1和a2分别为简化光伏电池模型等效理想因子。
所述解析表达式f(D)的因变量为控制单元输出电流io，对于基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组10，其输出端挂接锂离子电池单元18，因此可近似认为控制单元输出挂接锂离子电池单元电压vbat为恒定值，由此，可以将光伏电池输出功率ppv对输出电压vpv的极值曲线变换为
其中，ηcov为控制单元的总体变换效率；由式(10)可知，当达到光伏电池单元最大输出功率(MPP)时，存在
因此，可以通过检测输出电流io来实现最大功率跟踪，可以减少信号采集运算开销，提升算法运行效率。
所述前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元222和所述后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元224中，前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元阻尼衰减模块223和后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元阻尼衰减模块225的具体功能为，当Lyapunov候选函数V(xa)的数值达到设定阈值ε时，对占空比扰动幅值进行阻尼衰减，同时经过前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元延时控制模块226和后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元延时控制模块228分别实现向对侧基于Lyapunov开关的极值搜索控制器提供延时使能信号的功能，所述延时综合考虑阻尼衰减时间常数以及功率电路暂态时间对基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组10暂态稳定性的影响。
本实施例中，所述投切单元20可控制所述基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组10的向外输出和输出切断。该投切单元具有一模组正输出端202、一模组负输出端204以及一投切继电器206。所述投切单元20的向外输出切断形成输出短接，确保所述基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组10能够实现其所述光伏电池单元12对所述锂离子电池单元18充电的同时，不会使所述基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组10构成的锂电无均衡光伏储能系统的对外输电中断，仅使整个锂电无均衡管理光伏储能系统的输出电压降低。
针对本发明实施例提供的基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组10及其2-Lyapunov极值搜索MPPT控制单元22，示出以下仿真实验结果，以验证所提出2-Lyapunov极值搜索MPPT控制单元22的正确性和有效性。其中，光伏电池电压均衡单元14和SEPIC馈电升降压变换单元16所属的基于Lyapunov开关的极值搜索控制参数如表1和2所示。
表1前级光伏电池电压均衡单元控制参数
| 参数 | 描述 | 取值 |
| ω | 周期正弦激励信号扰动频率 | 250Hz |
| ωl | 离散低通滤波器截止频率 | 20Hz |
| ωh | 离散高通滤波器截止频率 | 20Hz |
| a0 | 周期正弦激励信号扰动幅值 | 0.002 |
| k | 幅值衰减速率 | 10 |
| Ts | 控制器采样时间 | 50us |
| ε | Lyapunov开关阈值 | 0.015 |
表2后级SEPIC馈电升降压变换单元控制参数
| 参数 | 描述 | 取值 |
| ω | 周期正弦激励信号扰动频率 | 250Hz |
| ωl | 离散低通滤波器截止频率 | 50Hz |
| ωh | 离散高通滤波器截止频率 | 50Hz |
| a0 | 周期正弦激励信号扰动幅值 | 0.015 |
| k | 幅值衰减速率 | 10 |
| Ts | 控制器采样时间 | 50us |
| ε | Lyapunov开关阈值 | 0.004 |
结合上述控制参数的模型仿真结果分别如图3～图6所示。仿真中设置的参考辐照度为Gref＝1000W·m2，仿真中的光伏电池模型参数根据KC120-1系列光伏电池参数设置。结合所述-Lyapunov极值搜索MPPT控制单元22，所述光伏电池电压均衡单元14与SEPIC馈电升降压变换单元16各自的基于Lyapunov开关极值搜索控制策略交替互斥使能，模组初始化后，所述光伏电池电压均衡单元14单元首先以恒定占空比输出。
如图4所示，此处设置为0.4，以验证控制策略收敛性，考虑到实际中相同光伏电池在较大辐照度范围内最大功率对应电压变化较小，因而实际中光伏电池电压均衡单元14的初始输出占空比以0.5为佳，此时经过后级SEPIC馈电升降压变换单元16占空比调制的输出功率能够更快的收敛为所述基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组10的最大功率，因而所需的交替循环次数相对更少。
如图3所示，仿真程序运行中，如果2-Lyapunov极值搜索MPPT控制单元22所属Lyapunov开关函数达到设定阈值，则在0.1s稳态延时后进行交替切换；此外，设置所述前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元222和后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元224的超时强制交替时间为0.2s，即如果在0.2s时间内所属Lyapunov开关函数值未达到设定阈值，则强制使能另一控制单元，本控制单元保持当前占空比输出，该设置基于如下假设：如果长时间未达到稳态值，说明激活单元当前时刻对MPPT跟踪贡献较小，尝试由另一单元加速MPPT跟踪进程，实际仿真结果也表明了该假设的成立。
结合上述仿真结果可以看出，由前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元222和后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元224构成的2-Lyapunov极值搜索MPPT控制单元22的作用下，所构建的基于基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组10能够稳定的运行，其MPPT收敛速度和精度均较高。
当所述基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组10初次达到稳态后，如图3和4所示为0.64s，在Lyapunov开关函数的配合控制下，模组的暂态时间将显著缩短，光伏电池2的辐照度由400W·m2阶跃至800W·m2的模组响应时间约为0.24s，由800W·m2阶跃至400W·m2的模组响应时间约为0.14s，即，在所述基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组10运行达到初次稳态后，可以在一个交替控制周期内使光伏电池模块整体达到近似最大功率输出状态。
图5和图6分别示出了所述基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组10在不同辐照度分布时所述前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元222和后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元224中的Lyapunov函数曲线。
本发明提供的光伏储能模组及其MPPT控制器具有以下优点：
当由基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组10构成锂电无均衡管理光伏储能系统时，由于整个锂电无均衡管理光伏储能系统中的每一基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组10中的锂离子电池单元18均通过独立的能量管理单元控制其进行充放电，并且不影响其他模组和系统的正常工作，从而提高了该锂离子电池单元的安全性。所述能量管理单元进一步包括的光伏电池电压均衡单元14和SEPIC馈电升降压变换单元16中，所有的功率器件均为MOSFET，因此，可以更加有效的提高光伏电池单元12的能量利用效率，降低了光伏电池单元12功率输出期间的锂离子电池单元18的输出功率，延长了基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组10的循环使用寿命，从而延长了整个锂电无均衡管理光伏储能系统的使用寿命。
由于整个光伏储能系统中每个基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组10中的锂离子电池单元18均通过独立的能量管理单元控制充放电，因此，尽管该锂电无均衡管理光伏储能系统中串联的锂离子电池单元数量较多，但并不会影响能量管理单元对锂离子电池单元的充放电保护的灵敏度；当一个光伏储能模组切出工作时，并不会影响其他光伏储能模组的正常工作，从而保证了整个光伏储能系统的正常输出，实现光伏锂电储能模组间的锂电无均衡管理目的；且当该光伏储能系统中的一个或多个光伏储能模组因锂离子电池单元过放而切出时，其他光伏储能模组仍可正常输出，从而可充分利用每个光伏储能模组；通过选择光伏储能模组的个数，可调节光伏储能系统的总电压，从而满足具有不同电压输入需求的设备。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (7)
1.一种基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组，其特征在于，包括：
一光伏电池单元接口，所述光伏电池单元接口用于连接至少包括一光伏电池的光伏电池单元；
一光伏电池电压均衡单元，所述光伏电池电压均衡单元控制多个相互串联的光伏电池的电压均衡；
一SEPIC馈电升降压变换单元，所述SEPIC馈电升降压变换单元与光伏电池电压均衡单元串联连接；
一锂离子电池单元接口，所述锂离子电池单元接口用于连接包括一锂离子电池或相互并联的多个锂离子电池的锂离子电池单元；
一投切单元，其与SEPIC馈电升降压变换单元和锂离子电池单元分别相连，用于控制所述光伏储能发电模组的向外输出和输出切断；
一主控单元以及一MPPT控制器单元；所述MPPT控制器单元，包括一前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元和一后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元，两者交替进行极值搜索；所述前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元对光伏电池面板电压均衡单元进行极值搜索；所述后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元对SEPIC馈电升降压变换单元进行极值搜索；
所述光伏电池单元包括至少一光伏电池，当光伏电池单元包括多个光伏电池时，多个光伏电池相互并联或串联；
考虑工作温度的影响，当所述锂离子电池单元充电时，所述锂离子电池单元有一浮充充电荷电状态，对应不同温度下的相应浮充充电电压；当所述锂离子电池单元放电时，所述锂离子电池单元有一放电截止荷电状态，对应不同温度下的相应放电截止电压。
2.如权利要求1所述的一种基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组，其特征在于，所述光伏电压均衡单元由多级斩波电路构成，其前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元实现所述由相互串联的光伏电池面板构成的光伏电池单元中各个相互串联的光伏电池面板之间输出电压的均衡。
3.如权利要求1或2所述的一种基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组，其特征在于，所述光伏电压均衡单元的多级斩波电路的稳态控制占空比关系为：
其中，V1,V2,…,Vn分别为所述光伏电池面板的输出电压；分别为所述电压均衡单元开关管Q1,Q2,...,Qn的稳态关断占空因数，并且有
4.如权利要求1所述的一种基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组，其特征在于，所述SEPIC馈电升降压变换单元由一SEPIC馈电升降压变换器构成，其通过后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元实现所述光伏储能发电模组中光伏电池单元在不同辐照度条件下与锂离子电池单元之间的电压匹配。
5.如权利要求1所述的一种基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组，其特征在于，所述前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元和后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元的Lyapunov候选函数V(xa)为
其中，xa表示矩阵；表示矩阵xa的转置矩阵；P表示构造的Lyapunov矩阵。
6.如权利要求5所述的一种基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组，其特征在于，所述前级光伏电压均衡Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元和后级SEPIC馈电升降压Lyapunov极值搜索MPPT控制子单元均包括阻尼衰减控制单元和延时控制单元；当Lyapunov候选函数V(xa)的数值达到设定阈值ε时，阻尼衰减控制单元对占空比扰动幅值进行阻尼衰减，同时通过延时控制单元延时使能信号。
7.如权利要求5所述的一种基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组，其特征在于，当所述基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组的光伏电池单元达到最大输出功率时，存在
所述基于李雅普诺夫开关耦合极值搜索的光伏储能发电模组，通过检测控制单元输出电流io来实现最大功率跟踪；其中，D为电压均衡单元的稳态控制占空比；ηcov为控制单元的总体变换效率；vbat为锂离子电池单元电压，Vbat为vbat的恒定值；vPV为光伏电池的输出电压；pPV为光伏电池输出功率。
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