CN106292828B - 一种光伏系统最大功率点追踪控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种光伏系统最大功率点追踪控制装置及控制方法，属于新能源开发及应用技术领域，由光伏电池阵列、检测装置、DC‑DC升压变换电路、新型PWM控制器、负载设备组成。其有益技术效果是：①硬件装置与计算机软件编程相结合，硬件装置设计简单，软件编程通俗易懂；②采用的OVC控制算法本身已经比电导增量法跟踪效果好，本发明又加入了ADRC控制算法，使最大功率点追踪更加精确，实现了高精度跟踪，反应速度更快；③采用新的算法与PWM控制器相结合，与传统MPPT算法相比，大大减少了传感器的数量，减少了传感器带来的检测误差并减少了工程造价；④本发明提出的MPPT策略与DC‑DC拓扑无关，有利于模块化与即插即用的PWM控制器的设计。

Description

一种光伏系统最大功率点追踪控制装置及控制方法

技术领域

本发明属于新能源开发及应用技术领域，特别涉及在一种光伏系统最大功率点追踪控制装置及控制方法，采用最大功率点追踪控制策略中最新的最优电压控制(OptimalVoltage Control,OVC)，并与自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)相结合。该控制装置设计简单并减少了工程造价，该控制方法可实现光伏发电系统最大功率点的精确追踪特别是当外界环境温度和光照度变化幅度较大时。

背景技术

随着经济的快速发展和环境污染的不断增加，清洁能源的开发和利用已经成为各个国家的首要任务。太阳能已经成为应用最广泛的新型绿色能源，而光伏发电技术则是当前利用太阳能最主要形式之一，具有无污染，无噪音，零排碳，易维护等优点。光伏发电存在的主要问题是其发电效率问题，由于光伏电池在发电过程中具有强烈的非线性特性，所以它的输出功率不仅与光伏电池内部特性有关，还受到环境温度，光照的影响。解决该问题的的主要技术之一就是进行最大功率点追踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)，该技术可有效提升光伏发电系统的能量转换效率。

随着科学技术的进步与发展，MPPT控制算法已然成为国内外专家研究的热点技术之一。恒定电压法，开路电压比例系数法，短路电流比例系数法，曲线拟合法这些控制算法主要是靠经验公式得到近似的MPPT，尤其是外界环境变化时，误差相对较大。扰动观测法，电导增量法，寄生电容法，这些控制算法实时的对电流和电压进行采样，精度比较高，但其反应速度慢和工作点震荡问题仍有待改进。模糊逻辑控制法，人工神经元网络控制法，滑膜控制法，都是基于现代控制理论的智能控制法，控制精度高，抗外界环境干扰能力强。但是这些控制方法依然存在很多不足，像设计难度大，试验周期长，硬件成本高等。

发明内容

本发明针对上述技术的缺点与不足，提供一种光伏系统最大功率点追踪控制装置及控制方法，解决了反应速度慢、工作点震荡等问题，降低了传统光伏发电系统硬件成本。尤其是在外界环境变化较大时，能够实现高精度最大功率点追踪，大大提高了光伏发电系统的能量转化效率。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种光伏系统最大功率点追踪控制装置，它是由光伏电池阵列、检测装置、DC-DC升压变换电路、PWM控制器、负载设备组成，DC-DC升压变换电路输入端与光伏电池阵列相连接，输出端与负载设备相连接，检测装置与光伏电池阵列输出端相连接，将电流电压检测结果传递给PWM控制器，由PWM控制器计算出占空比信号，控制DC-DC升压变换电路的工作状态，从而实现光伏发电系统的最大功率点追踪控制。

进一步的，以上所述的检测装置内部含有电压检测电路和电流检测电路。

进一步的，所述的DC-DC升压变换电路包括恒压源E、储能电感L、滤波电容C、二极管VD、MOSFET驱动器VT，其中恒压源E正极与MOSFET驱动器VT漏极相连，储能电感L、二极管VD负极分别与MOSFET驱动器VT源极相连，恒压源E负极与储能电感L的另一端相连；滤波电容C和负载并联后一端与二极管VD正极相连，另一端与恒压源E负极相连。

进一步的，所述的PWM控制器内置最优电压控制与自抗扰控制相结合的光伏系统最大功率点追踪控制算法。

进一步的，所述的负载设备为独立的用电设备或是光伏并网逆变器。

一种光伏系统最大功率点追踪控制装置及控制方法，至少包括以下步骤：

步骤A、确定标况S＝1000W/m²,T＝25℃下光伏电池模型和非标况下光伏电池模型；

步骤B、根据上述所说的光伏电池模型，计算最优电压；

步骤C、确定ADRC的控制器带宽Wc和观测器带宽Wo，调整参数b；

步骤D、将一种结合OVC控制算法和ADRC控制算法于一起的控制算法通过软件编程嵌入到PWM控制器中。

本发明的有益技术效果在于：①硬件装置与计算机软件编程相结合，硬件装置设计简单，软件编程通俗易懂；②采用的OVC控制算法本身已经比电导增量法跟踪效果好，本发明又加入了ADRC控制算法，使最大功率点追踪更加精确，实现了高精度跟踪，反应速度更快；③采用新的算法与PWM控制器相结合，与传统MPPT算法相比，大大减少了传感器的数量，减少了传感器带来的检测误差并减少了工程造价；④本发明提出的MPPT策略与DC-DC拓扑无关，有利于模块化与即插即用的PWM控制器的设计。

附图说明

附图1为本发明所总体结构示意图。

附图2为本发明DC-DC变换电路拓扑图。

附图3为本发明PWM控制器结构示意图。

附图4为本发明OVC控制算法程序流程图。

附图5为本发明ADRC控制算法结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

由附图1和附图3可知，本发明是由光伏电池阵列、检测装置、DC-DC升压变换电路、PWM控制器、负载设备组成。DC-DC升压变换电路输入端与光伏电池阵列相连接，输出端与负载设备相连接，检测装置与光伏电池阵列输出端相连接，将电流电压检测结果传递给PWM控制器，参见附图3，本发明PWM控制器内置最优电压控制与自抗扰控制相结合的光伏系统最大功率点追踪控制算法。由PWM控制器计算出占空比信号，控制DC-DC升压变换电路的工作状态，从而实现光伏发电系统的最大功率点追踪控制。

上述所说的检测装置内部含有电压检测电路和电流检测电路。

参见附图2，本发明DC-DC升压变换电路包括恒压源E、储能电感L、滤波电容C、二极管VD、MOSFET驱动器VT。其中恒压源E正极与MOSFET驱动器VT漏极相连，储能电感L、二极管VD负极分别与MOSFET驱动器VT源极相连，恒压源E负极与储能电感L的另一端相连；滤波电容C和负载并联后一端与二极管VD正极相连，另一端与恒压源E负极相连。

上述所说的负载设备为独立的用电设备或是光伏并网逆变器。

本发明一种光伏系统最大功率点追踪控制装置及控制方法至少包括以下步骤：

步骤A、确定标况(S＝1000W/m²,T＝25℃)下光伏电池模型和非标况下光伏电池模型。如下式：

标况下:

式中，I为光伏电池输出电流，V为光伏电池输出电压，I₀为二极管反响饱和电流，I_ph为光生电流，n为二极管特性因子，q为电子电荷量(q＝1.6×10^-19C/m²)，为玻尔兹曼常数(k＝1.38×10^-23J/K)，R_s为光伏电池等效串联电阻，R_sh为光伏电池等效并联电阻，T为光伏电池温度。

非标况下：

V′_sc＝V_Oc×(1-cΔT)In(e+bΔS)

V′_m＝V_m×(1-cΔT)In(e+bΔS)

ΔT＝T-T_ref

式中，T_ref、S_ref分别为光伏电池标准测试温度、光辐照度参考值，I′_SC、V′_SC分别为非标况下的光伏电池输出短路电流和开路电压，I′_SC、V′_SC为非标况下光伏电池输出最大电流和最大电压。根据经验值，a，b，c分别为0.0025/℃、0.5和0.00288/℃。

步骤B、根据上述所说的光伏电池模型，计算最优电压V_pmax。公式如下：

步骤C、确定ADRC的控制器带宽Wc和观测器带宽Wo，调整参数b。经过调整参数最终确定Wc＝15.6，Wo＝5.3，b＝23。

步骤D、将一种结合OVC控制算法和ADRC控制算法于一起的控制算法通过软件编程嵌入到PWM控制器中，这样便有了本发明另外涉及的一种新型PWM控制设备。

由附图4和附图5可知，OVC控制算法是经过数学计算，寻找出对应最大功率点处的最大电压，传统的MPPT算法-电导增量法在寻找时最大功率点时，由于计算不当会导致功率震荡问题，而OVC控制算法由于计算精确从而避免了功率震荡的问题。ADRC控制算法是用扩张状态观测器对扰动进行实时估计与补偿来构造出具有自抗扰功能的新型实用控制器算法。

扩张状态观测器：

因为

故有

其中

其中

控制器的极点配置：

取

则

经拉普拉斯变化后得

取极点在-w_c处，即s²+k_ds+k_p＝[s-(-w_c)]²

对比于标准二阶：s²+2w_cξs+w_c ²，且ξ取值为1时(临界阻尼)，系统无超调。

则k_d＝2w_c，k_p＝w_c ²

观测器极点配置：

假设3个极点都在-w_o处

则(s+w_o)³＝s³+3w_os²+3w_o ²s+w_o ³

对比得l₁＝3w_o，l₂＝3w_o ²，l₃＝w_o ³

本发明的工作原理是：检测装置从光伏电池阵列获取电压信号，传递给PWM控制器，PWM控制器通过计算检测电压与分析计算得到的V_pmax差值，实现MPPT。当V和V_pmax之差大时，光伏系统运行点距离最大功率点远，此时占空比变化较大，导致运行点迅速趋近最大功率点；当V和V_pmax之差中等时，光伏系统运行点接近最大功率点，此时占空比变化较小，光伏系统运行点趋近最大功率点并且能够保证在最大功率点无震荡；当V和V_pmax之差几乎为零时，光伏系统运行在最大功率点，此时占空比不变。

应当明确的是，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，按本发明构思所做出的显而易见的改进和修饰都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种光伏系统最大功率点追踪控制装置，其特征在于：它是由光伏电池阵列、检测装置、DC-DC升压变换电路、PWM控制器、负载设备组成，DC-DC升压变换电路输入端与光伏电池阵列相连接，输出端与负载设备相连接，检测装置与光伏电池阵列输出端相连接，将电流电压检测结果传递给PWM控制器，由PWM控制器计算出占空比信号，控制DC-DC升压变换电路的工作状态，从而实现光伏发电系统的最大功率点追踪控制；

所述的DC-DC升压变换电路包括恒压源E、储能电感L、滤波电容C、二极管VD、MOSFET驱动器VT，其中恒压源E正极与MOSFET驱动器VT漏极相连，储能电感L、二极管VD负极分别与MOSFET驱动器VT源极相连，恒压源E负极与储能电感L的另一端相连；滤波电容C和负载并联后一端与二极管VD正极相连，另一端与恒压源E负极相连；

所述的PWM控制器内置最优电压控制与自抗扰控制相结合的光伏系统最大功率点追踪控制算法。

2.根据权利要求1所述的光伏系统最大功率点追踪控制装置，其特征在于：以上所述的检测装置内部含有电压检测电路和电流检测电路。

3.根据权利要求1所述的光伏系统最大功率点追踪控制装置的控制方法，其特征在于：至少包括以下步骤：

步骤A、确定标况S＝1000W/m²,T＝25℃下光伏电池模型和非标况下光伏电池模型；

步骤B、根据上述所说的非标况下光伏电池模型，计算最优电压；

步骤C、确定ADRC的控制器带宽Wc和观测器带宽Wo，调整参数b；

步骤D、将一种结合OVC控制算法和ADRC控制算法于一起的控制算法通过软件编程嵌入到PWM控制器中。