CN106026336B - 防止光伏功率点震荡的充电控制方法 - Google Patents

防止光伏功率点震荡的充电控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种防止光伏功率点震荡的充电控制方法，其特征在于：提供一光伏充电器，采用双环控制，内环为电流环，外环根据光伏充电器输出电压Ubuck选择MPPT电压环或稳压电压环。本发明的技术方案对于开关管电路，传输同样功率时，高电压小电流硬件开关的损耗要比低电压大电流硬开关的损耗低的多；可以避免充电器输出稳压状态下光伏功率点在曲线左侧震荡或者卡死的状态，提高稳压精度；在电池电压未达到稳压点，控制器可将光伏功率调节到最大功率点，尽可能的利用光伏能量;在电池电压跌落到稳压下限或升高到稳压上限时再进行电压控制切换，避免造成光伏功率点震荡，有效控制电池电压纹波，使光伏充电器输出电压在稳态时精度高。

Description

防止光伏功率点震荡的充电控制方法
技术领域
本发明属于光伏发电系统电池充电控制技术，具体涉及一种防止光伏功率点震荡的充电控制方法。
背景技术
通常，光伏发电系统采用BUCK降压电路对电池进行充电，只有当光伏输出电压高于电池电压才能对电池充电，充电方法一般采用最大功率点跟踪、恒压均充和恒压浮充三段式对电池进行充电。当电池工作在恒压均充或恒压浮充且光伏输入能量充足时，光伏功率点可稳定工作在光伏P-V曲线最大功率点右侧；当光伏能量突然减少、负载突然增大或者是光伏极板温度变化使开路电压变大时，光伏功率点很有可能跳到光伏P-V曲线最大功率点的左侧。
如图1所示光伏P-V曲线，以光伏最大功率点将光伏P-V曲线划分为左侧和右侧，对于光伏充电器为BUCK电路的光伏系统，当光伏功率点位于左侧时，占空比与光伏功率成负相关关系，当光伏功率点位于右侧时，占空比与光伏输出功率成正相关关系；且光伏功率与充电器输出电压关系为正相关。由此可知，光伏功率点位于左侧时，占空比与充电器输出电压关系为负相关关系；光伏功率点位于右侧时，占空比与充电器输出电压关系为正相关。
当电池处于恒压充电时，光伏功率点通常在右侧，常规的稳压控制以充电器输出电压作为调节器的反馈信号，当充电器实际输出电压大于稳压值时，为降低充电器输出电压，则控制输出的占空比减小，对于光伏系统，占空比越小，光伏输出功率越低，因此充电器输出电压降低；当充电器实际输出电压低于稳压值时，则加大占空比，光伏输出功率增大，控制使得充电器输出电压增大，最终实现充电器输出电压稳定在设定值。一旦光伏功率点在光伏P-V曲线左侧，此时占空比与充电器输出电压成负相关，若采用与右侧相同的稳压控制策略，当充电器实际输出电压大于稳压值时，控制输出的占空比减小，光伏输出功率增大，充电器输出电压越大；当充电器实际输出电压低于稳压值时，为使充电器输出电压增大，控制输出的占空比增大，占空比越大，光伏输出功率越小，充电器输出电压越小，如此循环，会出现充电器输出电压越来越偏离稳压值，直至输出占空比为1，使充电处在卡死状态，造成光伏能量的浪费，这种情况下，常规的稳压控制失效。
针对光伏功率点工作在光伏P-V曲线最大功率点左侧的情况，通常做法是在稳压控制下，判断充电器输出电压与电池电压是否较为接近且持续一段时间，是则关闭开关管重新启动充电电路，使光伏功率点工作在光伏开路电压点，重新开始充电控制。该方法较为被动，光伏功率点在光伏P-V曲线最大功率点左侧卡死等待再重启，引起光伏功率浪费；其二，重新充电过程，同样还存在以上问题，会再次陷入该循环，引起电池电压波动。
发明内容
本发明针对光伏发电系统中，因光伏功率点在光伏P-V曲线最大功率点左侧时出现系统卡死和输出震荡的问题，提出一种防止光伏功率点震荡的充电控制方法，可使光伏输出电压基本处在光伏P-V曲线最大功率点右侧。具体实现方法如下：
一种防止光伏功率点震荡的充电控制方法，其特征在于：提供一光伏充电器，采用双环控制，内环为电流环，外环根据光伏充电器输出电压选择MPPT电压环或稳压电压环；具体实现方法如下：步骤一：对光伏充电器输出电压Ubuck实时采样；步骤二：电压环控制单元判断当前光伏充电器输出电压Ubuck是否小于预设的稳压值Ubuck_set，是则选择MPPT电压环和电流环控制方式，执行步骤三；否则选择稳压电压环和电流环控制方式执行步骤四；步骤三：当光伏充电器的控制方式是MPPT电压环和电流环时，电压控制单元实时判断当前光伏充电器输出电压Ubuck是否不低于稳压上限Ubuck_max，是则选择稳压电压环和电流环控制方式，执行步骤四，否则保持MPPT电压环和电流环控制方式，重复执行步骤三；步骤四：当光伏充电器的控制方式是稳压电压环和电流环时，电压控制单元实时判断当前光伏充电器输出电压Ubuck是否不高于稳压下限Ubuck_min，是则选择MPPT电压环和电流环控制方式，执行步骤三，否则保持稳压电压环和电流环控制方式，重复执行步骤四；其中，稳压下限Ubuck_min＜稳压值Ubuck_set＜稳压上限Ubuck_max。
进一步的，步骤三中控制方式变为稳压电压环和电流环时，将当前MPPT电压环输出的第一电流参考值Iref1作为稳压电压环中PI调节器的初始积分值。
进一步的，步骤四中控制方式变为MPPT电压环和电流环时，将当前稳压电压环输出的第二电流参考值Iref2作为MPPT电压环的PI调节器的初始积分值。
进一步的，所述MPPT电压环的控制方法如下：根据光伏极板输出电压Upv、输出电流Ipv，计算出当前光伏电压给定Upv_ref，该光伏电压给定Upv_ref与光伏极板输出电压Upv比较后经MPPT电压环的PI调节器计算输出第一电流参考值Iref1。
进一步的，所述稳压电压环的控制方法如下：根据预设的稳压值Ubuck_set与当前光伏充电器输出电压Ubuck比较后经稳压电压环的PI调节器计算输出第二电流参考值Iref2。
进一步的，所述电流环的控制方法如下：将MPPT电压环输出的第一电流参考值Iref1或稳压电压环输出的第二电流参考值Iref2经限幅后作为电流环的电流给定Iref，该电流给定Iref与当前光伏充电器输出电流Ibuck比较后经一PI调节器输出占空比信号D，该占空比信号D经PWM驱动单元产生PWM调制波。
较佳的，所述稳压上限Ubuck_max的取值范围为[1.01~1.05]*Ubuck_set。
较佳的，所述稳压下限Ubuck_min的取值范围为[0.95~0.99]*Ubuck_set。
较佳的，所述的光伏充电器采用BUCK电路。
本发明的有益效果如下：
其一，对于开关管电路，传输同样功率时，高电压小电流硬件开关的损耗要比低电压大电流硬开关的损耗低的多；
其二，可以避免充电器输出稳压状态下光伏功率点在曲线左侧震荡或者卡死的状态，提高稳压精度；
其三，在电池电压未达到稳压点，控制器可将光伏功率调节到最大功率点，尽可能的利用光伏能量;
其四，在电池电压跌落到稳压下限或升高到稳压上限时再进行电压控制切换，不会频繁出现环路切换，避免造成光伏功率点震荡，可有效控制电池电压纹波，使光伏充电器输出电压在稳态时精度高，对延迟电池寿命有较重要意义。
附图说明
图1为光伏P-V曲线。
图2为本发明一实施例中光伏发电系统结构框图。
图3为本发明一实施例控制流程图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案更加清楚，以下结合实施例和附图，对本发明的的技术方案作进一步的说明。
图2为本发明一实施例防止光伏功率点震荡的充电控制方法具体实施结构框图，其中光伏充电器采用BUCK电路。控制环路采用双环控制，其中内环控制为电流环，外环控制为电压环，控制系统中还包括电压环控制单元，电压环控制单元根据BUCK电路输出电压选择MPPT电压环或稳压电压环，MPPT电压环和稳压电压环不同时工作。
具体实现方法如图3所示：
光伏发电系统启动后，系统开始对当前充电器输出电压Ubuck进行始实时采样；
电压环控制单元判断当前光伏充电器输出电压Ubuck是否小于预设的稳压值Ubuck_set，是则选择MPPT电压环和电流环控制方式；否则选择稳压电压环和电流环控制方式；
当光伏充电器的控制方式是MPPT电压环和电流环时，电压控制单元实时判断当前光伏充电器输出电压Ubuck是否不低于稳压上限Ubuck_max，是则选择稳压电压环和电流环控制方式，并将当前MPPT电压环输出的第一电流参考值Iref1作为稳压电压环中PI调节器的初始积分值，否则保持MPPT电压环和电流环控制方式；
当光伏充电器的控制方式是稳压电压环和电流环时，电压控制单元实时判断当前光伏充电器输出电压Ubuck是否不高于稳压下限Ubuck_min，是则选择MPPT电压环和电流环控制方式，并将当前稳压电压环输出的第二电流参考值Iref2作为MPPT电压环中PI算法的初始积分值，否则保持稳压电压环和电流环控制方式
光伏充电器充电过程中，重复如上判断，当控制方式是MPPT电压环和电流环且当前光伏充电器输出电压Ubuck不低于稳压上限Ubuck_max时则选择稳压电压环和电流环控制方式；当控制方式是稳压电压环和电流环且当前光伏充电器输出电压Ubuck不高于稳压下限Ubuck_min则选择MPPT电压环和电流环控制方式，周而复始。
本发明中将恒压充电的稳压值设定为Ubuck_set，其稳压上限为Ubuck_max，稳压下限为Ubuck_min，较佳的Ubuck_max=[1.01~1.05]*Ubuck_set，Ubuck_min=[0.95~0.99]*Ubuck_set，本实施例中，稳压上限为Ubuck_max、稳压下限为Ubuck_min分别取值如下：Ubuck_max=1.01Ubuck_set，Ubuck_min=0.99Ubuck_set，或者Ubuck_max=1.05Ubuck_set，Ubuck_min=0.95Ubuck_set，或者是如上区间的任一值。系统启动时，电池电压低，系统首先以MPPT电压环和电流环控制方式，以最大功率算法跟踪快速给电池充电，尽可能的利用光伏能量。MPPT电压环和电流环控制方式的具体控制方法如下：根据光伏极板输出电压Upv、输出电流Ipv进行最大功率跟踪，计算出当前光伏电压给定Upv_ref，其中最大功率跟踪采用扰动观察法：首先扰动光伏电池的输出电压，然后观测扰动后光伏阵列的输出功率，将扰动后的输出功率与扰动前的输出功率进行比较，若扰动后的输出功率增加，则表示此前的扰动方向正确，可继续向相同的方向扰动光伏阵列的输出电压；反之，若扰动后的输出功率减小，则应向相反的方向扰动光伏阵列的输出电压，使用光伏电池最终工作在最大功率点。该光伏电压给定Upv_ref与反馈的光伏极板输出电压Upv经PI调节器输出第一电流参考值Iref1，Iref1经限幅后得到Iref作为电流环的电流给定。Iref与反馈的BUCK输出电流Ibuck经PI计算输出占空比信号D，该占空比信号D输出到PWM驱动单元产生PWM调制波，使BUCK电路以最大功率输出给电池充电。在充电过程中电池电压随之升高，直到电池电压大于等于稳压上限Ubuck_max，电池开始以恒压充电。稳压电压环和电流环控制方式，具体控制方法如下：稳压电压环将设定的稳压值Ubuck_set与反馈的BUCK输出电压Ubuck经PI调节器输出第二电流参考值Iref2，Iref2经限幅后得到Iref作为电流环的电流给定。两种不同的控制方式，共用一个电流环，电流环的控制方法如上所述。其中，PI调节器的计算方法如下：，其中kp为比例系数，ki为积分系数，e(k)为当前给定与实际反馈的误差量。
系统实时判断当前当BUCK输出电压Ubuck与稳压上限Ubuck_max、稳压下限Ubuck_min的关系：当BUCK输出电压Ubuck下降到稳压下限Ubuck_min时，电压环控制单元会选择MPPT电压环，下一个开关周期开始进入MPPT电压环和电流环控制方式；当BUCK输出电压Ubuck达到稳压上限Ubuck_max时，电压环控制单元会选择稳压电压环，下一个开关周期开始进入稳压电压环和电流环控制方式。
系统从MPPT电压环和电流环控制方式进入稳压电压环和电流环控制方式时，稳压电压环中的PI调节器的初始积分值为上一开关周期中MPPT电压环的输出值，即当k时刻系统从MPPT电压环和电流环控制方式进入稳压电压环和电流环控制方式，k-1时刻MPPT电压环的输出量记为U’(k-1)，则k时刻稳压电压环的输出量U(k) = Up(k)+Ui(k) = Up(k) +U’(k-1)，其中Up(k)为PI调节器比例量，Ui(k)为PI调节器积分量；此时MPPT电压环不工作。
同理，当系统从稳压电压环和电流环控制方式进入MPPT电压环和电流环控制方式时，MPPT电压环中的PI调节器的初始积分值为上一开关周期中稳压电压环的输出值，当MPPT电压环工作时，稳压电压环不工作。
电池电压充电到稳压上限Ubuck_max，MPPT电压环和电流环切换到稳压环和电流环模式，由于BUCK控制器输出电压作为反馈电压高于预设的稳压值Ubuck_set，经过稳压环PI计算，可以在短时间内使占空比由大变小，使光伏功率点在光伏P-V曲线的左侧能往右偏移，由于光伏功率与充电器输出电压成正相关关系，光伏功率可落在右侧同等光伏功率点上，从而避免功率点在左侧卡死状态；稳压环和电流环模式，只有当电池电压跌落到稳压下限Ubuck_min，才会切换到MPPT控制电压环和电流环模式，由于稳压值Ubuck_set设定有上下精度误差，只有当电池充电电压低于稳压下限Ubuck_min或高于稳压上限Ubuck_max时才进行电压环切换，不会频繁出现环路切换，使光伏充电器输出电压在稳态时精度高，对延迟电池寿命有较重要意义。
以上实施例为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围以权力要求书为准。

Claims (9)

1.一种防止光伏功率点震荡的充电控制方法，其特征在于：提供一光伏充电器，采用双环控制，内环为电流环，外环根据光伏充电器输出电压Ubuck选择MPPT电压环或稳压电压环；
具体实现方法如下：
步骤一：对光伏充电器输出电压Ubuck实时采样；
步骤二：电压环控制单元判断当前光伏充电器输出电压Ubuck是否小于预设的稳压值Ubuck_set，是则选择MPPT电压环和电流环控制方式，执行步骤三；否则选择稳压电压环和电流环控制方式执行步骤四；
步骤三：当光伏充电器的控制方式是MPPT电压环和电流环时，电压环控制单元实时判断当前光伏充电器输出电压Ubuck是否不低于稳压上限Ubuck_max，是则选择稳压电压环和电流环控制方式，执行步骤四，否则保持MPPT电压环和电流环控制方式，重复执行步骤三；
步骤四：当光伏充电器的控制方式是稳压电压环和电流环时，电压环控制单元实时判断当前光伏充电器输出电压Ubuck是否不高于稳压下限Ubuck_min，是则选择MPPT电压环和电流环控制方式，执行步骤三，否则保持稳压电压环和电流环控制方式，重复执行步骤四；
其中，稳压下限Ubuck_min＜稳压值Ubuck_set＜稳压上限Ubuck_max。
2.根据权利要求1所述的防止光伏功率点震荡的充电控制方法，其特征在于：步骤三中控制方式变为稳压电压环和电流环时，将当前MPPT电压环输出的第一电流参考值Iref1作为稳压电压环中PI调节器的初始积分值。
3.根据权利要求1所述的防止光伏功率点震荡的充电控制方法，其特征在于：步骤四中控制方式变为MPPT电压环和电流环时，将当前稳压电压环输出的第二电流参考值Iref2作为MPPT电压环的PI调节器的初始积分值。
4.根据权利要求1所述的防止光伏功率点震荡的充电控制方法，其特征在于：所述MPPT电压环的控制方法如下：根据光伏充电器的光伏极板输出电压Upv、输出电流Ipv，计算出当前光伏电压给定Upv_ref，该光伏电压给定Upv_ref与光伏充电器的光伏极板输出电压Upv比较后经MPPT电压环的PI调节器计算输出第一电流参考值Iref1。
5.根据权利要求4所述的防止光伏功率点震荡的充电控制方法，其特征在于：所述稳压电压环的控制方法如下：预设的稳压值Ubuck_set与当前光伏充电器输出电压Ubuck比较后经稳压电压环的PI调节器计算输出第二电流参考值Iref2。
6.根据权利要求5所述的防止光伏功率点震荡的充电控制方法，其特征在于：所述电流环的控制方法如下：将MPPT电压环输出的第一电流参考值Iref1或稳压电压环输出的第二电流参考值Iref2经限幅后作为电流环的电流给定Iref，该电流给定Iref与当前光伏充电器输出电流Ibuck比较后经电流环的PI调节器输出一占空比信号D，该占空比信号D经PWM驱动单元产生PWM调制波。
7.根据权利要求1所述的防止光伏功率点震荡的充电控制方法，其特征在于：所述稳压上限Ubuck_max的取值范围为 [1.01~1.05]*Ubuck_set。
8.根据权利要求7所述的防止光伏功率点震荡的充电控制方法，其特征在于：所述稳压下限Ubuck_min的取值范围为 [0.95~0.99]*Ubuck_set。
9.根据权利要求1所述的防止光伏功率点震荡的充电控制方法，其特征在于：所述的光伏充电器采用BUCK电路。
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