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一种基于温度和光强反馈的mppt方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于温度和光强反馈的MPPT方法，该方法中的装置包括开路电压采样电路、温度光强采样电路、BUCK电路、驱动电路和MCU控制器；实验测试得到光伏方阵所需的k值；MCU控制器通过温度光强采样电路分别采集外界环境的温度和光强，并将采集结果反馈到MCU控制器内，执行查表法得到需要的k值；根据最大功率点电压公式计算出最大功率点电压，实时调整控制电路的占空比；每间隔10分钟采样一次，再次执行查表法，直到相邻两次得到的k值相等，最终获得太阳能板的最大功率点。本发明不需要实时检测电压和电流，电路元件少、功耗小，算法简单跟踪速度快，适用于小功率场合的光伏发电系统，有利于光伏发电系统在工业、农业和家用方面的发展。

Description

一种基于温度和光强反馈的MPPT方法
技术领域
本发明涉及一种跟踪太阳能最大功率的方法和装置，具体涉及一种基于温度和光强反馈的MPPT方法和装置。
背景技术
随着工业的迅速发展，人类对能源的需要也持续增长，世界的趋势已经开始寻求新的能源来替代常规的能源资源。作为可用的替代能源之一的光伏能源成为最有前途的可再生能源之一。光伏能源是清洁的，设计简单。现在无论是家用还是工业都对光伏发电持有很乐观的态度，希望光伏能源可以得到充分的利用，以后可以广泛应用于人们生活生产的各个方面。但是安装成本高和光伏效率低是光伏系统的两个主要缺点，而光伏效率低主要是输出特性具有较强的非线性特征，随着光强和环境温度的不同，太阳能板的输出电流和最大输出功率都会产生很大的变化。
传统的MPPT算法有固定电压法(CVT)、扰动观察法(P&O)、导纳增量法、最优梯度法、滞环比较法、神经元网络控制法、模糊逻辑控制法等。国内外学术界还有一些新颖控制策略被提出并应用于实践中。河海大学的彭韬、丁坤针等学者提出了一种基于扰动观测法和导纳增量法的改进全局最大功率点控制算法，该方法在跟踪的快速性和系统的稳定性方面都有全局性的提高。哈尔滨理工大学的温嘉斌学者运用最小二次乘法进行数据拟合，设计了定步长与变步长相结合的三点最小二乘方法来进行系统跟踪，获取输出的最大功率。
但是上述MPPT算法对硬件要求非常高，对数模转换精度和速度要求高，算法复杂占用CPU内存大，调整最大功率的时间较长，所以应用于工程的MPPT控制器多采用DSP为控制器，其价格昂贵。因此需要研究成本低、效率高的小型太阳能装置。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于温度和光强反馈的MPPT方法，可以解决已有的控制器成本高、效率低的缺点。
本发明的一种基于温度和光强反馈的MPPT方法，包括步骤：
步骤1，建立基于温度和光强反馈的MPPT装置，MPPT装置包括：开路电压采样电路、温度光强采样电路、BUCK电路、驱动电路、MCU控制器；
步骤2，初始化装置的各个参数：电路工作在开路采样状态，MCU控制器对驱动电路的SD端输入高电平,BUCK电路中的功率开关管Q1的驱动电压为低电平，此时Q1断开，开路电压采样电路采样太阳能板开路电压Uoc反馈到MCU控制器内；
步骤3，MCU控制器通过温度光强采样电路分别采集外界环境的温度和光强，将采集的温度和光强反馈到MCU控制器内，执行查表法，找出表格中对应的k1值；
步骤4，MCU控制器根据采样的开路电压Uoc和由温度光强反馈出的k1值计算出最大功率点电压Umpp，此时MCU控制器对驱动电路的SD端输入低电平，功率开关管Q1的驱动电压为高电平，功率开关管Q1进行占空比调整程序，使输出电压调整到最大功率点电压Umpp；
步骤5，按照上述步骤，每间隔10分钟采样一次，检测外界环境的温度和光强，将采集的温度和光强反馈到MCU控制器内，再次执行查表法，如果k2值不等于k1值，重新执行步骤1；直到k2值等于k1值，最终获得太阳能板的最大功率点。
进一步，步骤1中，所述开路电压采样电路与太阳能板相并联，用于检测太阳能板实时变化的电压值；所述温度光强采样电路用于采集外界环境的温度和光强；所述MCU控制器分别与所述开路电压采样电路、温度光强采样电路及驱动电路相连，所述驱动电路与BUCK电路的功率开关管Q1相连，所述MCU控制器根据实时采集的温度、光强和开路电压值，控制所述BUCK电路占空比调整，将太阳能板调整到最大功率点。
进一步，步骤4中，最大功率点电压Umpp的计算公式为：Umpp＝k1Uoc。
进一步，所述温度光强采样电路包括温度检测电路、光强检测电路。
进一步，所述驱动电路采用IR2110芯片。
本发明具有以下技术效果：
本发明能够根据温度和光强区间变化实时调整输出电压的最大功率点电压，不需要实时检测电压和电流；实验测试得到光伏方阵在温度0-60℃、光照200-1000w/㎡范围的24个确定的k值，用查表法得到需要的k值；根据最大功率点电压公式计算出最大功率点电压Umpp，实时调整控制电路的占空比。本发明在软件部分用了查表法，所以在实现的时候对MCU控制器要求不高；另外，本发明电路元件少、功耗小，算法简单跟踪速度快，适用于小功率场合的光伏发电系统，有利于光伏发电系统在工业、农业和家用方面的发展。
附图说明
图1为本发明基于温度和光强反馈的MPPT装置的系统硬件原理框图；
图2为温度恒定光强变化的PV特征图；
图3为光强恒定温度变化的PV特征图；
图4为Umpp和Uoc百分比对应温度和光强变化图；
图5为本发明基于温度和光强反馈的MPPT装置算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图2所示，在温度恒定的情况下，随着太阳强度的变化，图中不同光强下的最大功率点对应相同的电压，这就是在MPPT领域应用很广的恒定电压法(CVT)；这种方法控制简单、可靠性好、易于实现，但是它忽视了温度对开路电压Uoc和最大功率点电压公式Umpp＝kUoc中k值的影响。而太阳能板大多应用于野外楼顶，四季和日夜温差变化很大，因此，需要在传统的CVT控制技术基础上增加了温度反馈和光强反馈。
如图3所示，在光强不变、温度变化的情况下，温度变化对最大功率点的影响很大；在传统的扰动法观察法(P&O)中，如果温度变化，追踪最大功率点的算法会失效，造成了功率损耗。
为解决传统的MPPT算法存在的问题，本发明建立了一种温度和光强反馈的MPPT装置，如图1所示；一种温度和光强反馈的MPPT装置包括：开路电压采样电路、温度光强采样电路、BUCK电路、驱动电路、MCU控制器；所述开路电压采样电路与太阳能板相并联，用于检测太阳能板实时变化的电压值；所述温度光强采样电路用于采集外界环境的温度和光强；所述MCU控制器分别与所述开路电压采样电路、温度光强采样电路及驱动电路相连，所述驱动电路与BUCK电路的功率开关管Q1相连，所述MCU控制器根据实时采集的温度、光强和开路电压值，控制所述BUCK电路占空比调整，将太阳能板调整到最大功率点。
图1中，本发明在应用时采用了BUCK降压DC/DC变化电路，功率开关管Q1是控制BUCK电路占空比调节最大功率的器件，MCU控制器通过检测BUCK电路的温度、光强和开路电压，C1和C2分别为输入和输出滤波电解电容，L1为电感，D1为续流二极管。
图4显示出光伏方阵在温度0-60℃、光照200-1000W/㎡范围内所需的实际的k值，可以看出随着温度和光强的变化，k值变化较大；而本发明通过实验测试得到光伏方阵在温度0-60℃、光照200-1000w/㎡范围内的24个确定的k值，见表1；实施时，直接执行查表法。
如图5所示，一种温度和光强反馈的MPPT控制方法，是按照下述步骤进行的：
步骤1，建立基于温度和光强反馈的MPPT装置；
步骤2，初始化装置的各个参数：电路工作在开路采样状态，MCU控制器对驱动电路的SD端输入高电平,BUCK电路中的功率开关管Q1的驱动电压为低电平，此时Q1断开，开路电压采样电路采样太阳能板开路电压Uoc反馈到MCU控制器内；
步骤3，MCU控制器通过温度光强采样电路分别采集外界环境的温度和光强，将采集的温度和光强反馈到MCU控制器内，执行查表法，找出表1中对应的k1值；
步骤4，MCU控制器根据采样的开路电压Uoc和由温度光强反馈出的k1值计算出最大功率点电压Umpp，此时MCU控制器对驱动电路的SD端输入低电平，功率开关管Q1的驱动电压为高电平，功率开关管Q1进行占空比调整程序，使输出电压调整到最大功率点电压Umpp；
步骤5，按照上述步骤，每间隔10分钟采样一次，检测外界环境的温度和光强，将采集的温度和光强反馈到MCU控制器内，再次执行查表法，如果k2值不等于k1值，重新执行步骤1；直到k2值等于k1值，最终获得太阳能板的最大功率点。
综上，本发明中的装置包括开路电压采样电路、温度光强采样电路、BUCK电路、驱动电路和MCU控制器；实验测试得到光伏方阵所需的k值；MCU控制器通过温度光强采样电路分别采集外界环境的温度和光强，并将采集结果反馈到MCU控制器内，执行查表法得到需要的k值；根据最大功率点电压公式计算出最大功率点电压，实时调整控制电路的占空比；每间隔10分钟采样一次，再次执行查表法，直到相邻两次得到的k值相等，最终获得太阳能板的最大功率点。本发明不需要实时检测电压和电流，电路元件少、功耗小，算法简单跟踪速度快，适用于小功率场合的光伏发电系统，有利于光伏发电系统在工业、农业和家用方面的发展。

Claims (5)

1.一种基于温度和光强反馈的MPPT方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，建立基于温度和光强反馈的MPPT装置，MPPT装置包括：开路电压采样电路、温度光强采样电路、BUCK电路、驱动电路、MCU控制器；
步骤2，初始化装置的各个参数：电路工作在开路采样状态，MCU控制器对驱动电路的SD端输入高电平,BUCK电路中的功率开关管Q1的驱动电压为低电平，此时Q1断开，开路电压采样电路采样太阳能板开路电压Uoc反馈到MCU控制器内；
步骤3，MCU控制器通过温度光强采样电路分别采集外界环境的温度和光强，将采集的温度和光强反馈到MCU控制器内，执行查表法，找出表格中对应的k1值；
步骤4，MCU控制器根据采样的开路电压Uoc和由温度光强反馈出的k1值计算出最大功率点电压Umpp，此时MCU控制器对驱动电路的SD端输入低电平，功率开关管Q1的驱动电压为高电平，功率开关管Q1进行占空比调整程序，使输出电压调整到最大功率点电压Umpp；
步骤5，按照上述步骤，每间隔10分钟采样一次，检测外界环境的温度和光强，将采集的温度和光强反馈到MCU控制器内，再次执行查表法，如果k2值不等于k1值，重新执行步骤1；直到k2值等于k1值，最终获得太阳能板的最大功率点。
2.根据权利要求1所述的一种基于温度和光强反馈的MPPT方法，其特征在于，步骤1中，所述开路电压采样电路与太阳能板相并联，用于检测太阳能板实时变化的电压值；所述温度光强采样电路用于采集外界环境的温度和光强；所述MCU控制器分别与所述开路电压采样电路、温度光强采样电路及驱动电路相连，所述驱动电路与BUCK电路的功率开关管Q1相连，所述MCU控制器根据实时采集的温度、光强和开路电压值，控制所述BUCK电路占空比调整，将太阳能板调整到最大功率点。
3.根据权利要求1所述的一种基于温度和光强反馈的MPPT方法，其特征在于：步骤4中，最大功率点电压Umpp的计算公式为：Umpp＝k1Uoc。
4.根据权利要求1所述的一种基于温度和光强反馈的MPPT方法，其特征在于：所述温度光强采样电路包括温度检测电路、光强检测电路。
5.根据权利要求1所述的一种基于温度和光强反馈的MPPT方法，其特征在于：所述驱动电路采用IR2110芯片。
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