CN107241060A - 一种改进型太阳能光伏mppt控制系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光伏系统中的太阳能电池最大功率点跟踪控制技术领域，尤其涉及的是一种改进型太阳能光伏MPPT控制系统与方法。本发明中的一种改进型太阳能光伏MPPT控制系统，包括太阳能电池单元，电压变换单元，电压传感器，电流传感器，MPPT控制模块，PWM模块，滤波电容C2和负载。本发明还提供了一种改进型太阳能光伏MPPT控制方法，解决了定步长算法稳态性能和动态性能相互矛盾的问题，可以提高系统的响应速度和稳态精度，降低了系统震荡，可以快速稳定地跟踪光伏电池的最大输出功率，满足系统最大功率的跟踪要求，具有相对简洁的控制逻辑和计算复杂度，在光伏发电系统中有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光伏系统中的太阳能电池最大功率点跟踪控制技术领域，尤其涉及的是一种改进型太阳能光伏MPPT控制系统与方法。
背景技术
能源供求问题越来越严重，为了使地球环境得到改善，人们越来越重视新能源的开发和利用，尤其是可再生能源的利用。太阳能作为一种新型绿色能源，可解决因常规能源枯竭而引发的能源危机，受到国内外的广泛关注。而光伏发电则是当前利用太阳能的主要形式之一。光伏电池的输出特性具有较强非线性特征，它的输出功率不仅与光伏电池内部特性有关，还受到外界环境条件(光照、温度)的影响，采用最大功率点跟踪技术(Maximumpower point track,MPPT)可有效提升光伏系统的能量转换效率。常用MPPT方法中开路电压系数法和短路电流系数法，控制简单易于实现，但需要周期性的断开或短路光伏电池，导致较多功率损失，且其工作点并不是真正的最大功率点。扰动观察法通过对光伏板的输出电压施加扰动，检测输出功率的变化来跟踪最大功率。对定步长扰动观察法，大步长可提升跟踪速度，但最大功率点附近功率振荡大，能量损失严重；小步长可减少能量损失，提高稳态精度，但会降低跟踪速度。电导增量法通过比较光伏电池的电导增量和瞬间电导来改变系统的控制信号。除此之外，还有基于智能控制的MPPT方法，例如，基于模糊算法的最大功率点跟踪控制策略， 具有稳态精度高，鲁棒性强的特点，但该算法有效性依赖于设计者的经验；用神经网络算法进行最大功率跟踪，但需要对每块光伏板进行训练以获取其控制规则；采用滑膜变结构控制提高系统的动态性能，但其参数设计较为复杂，实用性不高。基于此，本发明提供了一种改进型太阳能光伏MPPT控制系统与方法，可以解决定步长算法稳态性能和动态性能相互矛盾的问题，同时可以提高系统的响应速度和稳态精度，降低系统震荡，并能够快速稳定地跟踪光伏电池的最大输出功率。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中定步长算法稳态性能和动态性能相互矛盾的问题，提供了一种改进型太阳能光伏MPPT控制系统与方法。
本发明提供了一种改进型太阳能光伏MPPT控制系统，包括太阳能电池单元，电压变换单元，电压传感器，电流传感器，MPPT控制模块，PWM模块，滤波电容C2和负载，所述电压变换单元包括电感L1、L2、开关管Q1、电容C1以及二极管D1；太阳能电池单元的正极与电感L1的一端连接，电感L1的另一端连接开关管Q1的漏极以及电容C1的一端，开关管的源极接地，电容C1的另一端连接电感L2的一端和二极管D1的正极，电感L2的另一端接地，二极管D1的负极连接滤波电容C2的一端，滤波电容C2的另一端接地，PWM模块的输出端连接开关管Q1的栅极；电压传感器和电流传感器连接 MPPT控制模块，并分别将检测到的电压信号和电流信号发送给MPPT控制模块；MPPT控制模块连接PWM模块，并将占空比信号发送给PWM模块。
所述电压变换单元还可以为Boost升压变换电路或Buck降压变换电路。所述电流传感器优选为霍尔传感器。
一种上述改进型太阳能光伏MPPT控制系统的控制方法，其包括以下步骤：
(1)通过电压传感器和电流传感器分别检测出电压Uk和电流Ik，计算出功率Pk＝UkIk，并进一步得到ΔUk＝Uk-Uk-1，ΔIk＝Ik-Ik-1，ΔPk＝Pk-Pk-1；
(2)进一步得出占空比变化量ΔD，且
(3)判断ΔDk是否大于等于预先设定的基准占空比参数Dref；如果是，直接执行步骤(4)；如果不是，令ΔDk＝Dref，然后执行步骤(4)；
(4)令判断S是否大于等于0；如果是，执行步骤(5)；如果不是，执行步骤(6)；
(5)判断ΔP是否等于0；如果是，返回；如果不是，执行步骤(7)；
(6)判断ΔU是否大于0；如果是，执行步骤(9)；如果不是，则执行步骤(8)；
(7)判断ΔP是否大于0；如果是，进一步判断ΔU是否大于0，如果ΔP大于0且ΔU大于0执行步骤(8)，如果ΔP大于0且ΔU不大 于0执行步骤(9)；如果ΔP不大于0，进一步判断ΔU是否小于0，如果ΔP不大于0且ΔU小于0执行步骤(8)，如果ΔP不大于0且ΔU不小于0执行步骤(9)；
(8)Dk+1＝Dk+ΔDk；
(9)Dk+1＝Dk-ΔDk；
(10)Uk-1＝Uk,Ik-1＝Ik,Pk-1＝Pk，返回。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
本发明提出的一种改进型太阳能光伏MPPT控制系统与方法解决定步长算法稳态性能和动态性能相互矛盾的问题，可以提高系统的响应速度和稳态精度，降低了系统震荡，可以快速稳定地跟踪光伏电池的最大输出功率，满足系统最大功率的跟踪要求，具有相对简洁的控制逻辑和计算复杂度，在光伏发电系统中有较好的应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的一种改进型太阳能光伏MPPT控制系统结构示意图。
图2为本发明提供的一种改进型太阳能光伏MPPT控制方法流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种改进型太阳能光伏MPPT控制系统与方法，为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实 施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种改进型太阳能光伏MPPT控制系统，包括太阳能电池单元，电压变换单元，电压传感器，电流传感器，MPPT控制模块，PWM模块，滤波电容C2和负载，所述电压变换单元包括电感L1、L2、开关管Q1、电容C1以及二极管D1；太阳能电池单元的正极与电感L1的一端连接，电感L1的另一端连接开关管Q1的漏极以及电容C1的一端，开关管的源极接地，电容C1的另一端连接电感L2的一端和二极管D1的正极，电感L2的另一端接地，二极管D1的负极连接滤波电容C2的一端，滤波电容C2的另一端接地，PWM模块的输出端连接开关管Q1的栅极；电压传感器和电流传感器连接MPPT控制模块，并分别将检测到的电压信号和电流信号发送给MPPT控制模块；MPPT控制模块连接PWM模块，并将占空比信号发送给PWM模块。所述电压变换单元还可以为Boost升压变换电路或Buck降压变换电路。所述电流传感器优选为霍尔传感器。
如图2所示，一种上述改进型太阳能光伏MPPT控制系统的控制方法，其包括以下步骤：
(1)通过电压传感器和电流传感器分别检测出电压Uk和电流Ik，计算出功率Pk＝UkIk，并进一步得到ΔUk＝Uk-Uk-1，ΔIk＝Ik-Ik-1，ΔPk＝Pk-Pk-1；
(2)进一步得出占空比变化量ΔD，且
(3)判断ΔDk是否大于等于预先设定的基准占空比参数Dref；如果是，直接执行步骤(4)；如果不是，令ΔDk＝Dref，然后执行步骤(4)；
(4)令判断S是否大于等于0；如果是，执行步骤(5)；如果不是，执行步骤(6)；
(5)判断ΔP是否等于0；如果是，返回；如果不是，执行步骤(7)；
(6)判断ΔU是否大于0；如果是，执行步骤(9)；如果不是，执行步骤(8)；
(7)判断ΔP是否大于0；如果是，进一步判断ΔU是否大于0，如果ΔP大于0且ΔU大于0执行步骤(8)，如果ΔP大于0且ΔU不大于0执行步骤(9)；如果ΔP不大于0，进一步判断ΔU是否小于0，如果ΔP不大于0且ΔU小于0执行步骤(8)，如果ΔP不大于0且ΔU不小于0执行步骤(9)；
(8)Dk+1＝Dk+ΔDk；
(9)Dk+1＝Dk-ΔDk；
(10)Uk-1＝Uk,Ik-1＝Ik,Pk-1＝Pk，返回。
由于占空比与输出电压成正比，从而越接近最大功率点，ΔP与ΔU的比值越小；反之，越远离最大功率点，ΔP与ΔU的比值越大，最大功率点处为零。因此可将占空比扰动步长设为即越接近最大输出功率扰动步长越小，实现微调。实验表明当变化步长过小时ΔP与ΔU的比值会受到系统干扰而变大，使之失调，因此设置最小步长的阈值，既能保证系统的灵敏度又避免失调，最后通过判断ΔP、ΔU、ΔP/ΔU的正负变化来决定占空比的大小。
本发明的MPPT控制系统与方法相对于传统的算法，提高了最大功率点跟踪的速度和稳定性，降低了系统震荡，可以快速稳定地跟踪光伏电池的最大输出功率，满足系统最大功率的跟踪要求。此外，本发明方法具有相对简洁的控制逻辑和计算复杂度，在光伏发电系统中有较好的应用前景，值得推广。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种改进型太阳能光伏MPPT控制系统，其特征在于，包括太阳能电池单元，电压变换单元，电压传感器，电流传感器，MPPT控制模块，PWM模块，滤波电容C2和负载，其中，PWM模块的输出端连接开关管Q1的栅极；电压传感器和电流传感器连接MPPT控制模块，并分别将检测到的电压信号和电流信号发送给MPPT控制模块；MPPT控制模块连接PWM模块，并将占空比信号发送给PWM模块。
2.如权利要求1所述的一种改进型太阳能光伏MPPT控制系统，其特征在于，所述电压变换单元包括电感L1、L2、开关管Q1、电容C1以及二极管D1；太阳能电池单元的正极与电感L1的一端连接，电感L1的另一端连接开关管Q1的漏极以及电容C1的一端，开关管的源极接地，电容C1的另一端连接电感L2的一端和二极管D1的正极，电感L2的另一端接地，二极管D1的负极连接滤波电容C2的一端，滤波电容C2的另一端接地。
3.如权利要求1所述的一种改进型太阳能光伏MPPT控制系统，其特征在于，所述电压变换单元为Boost升压变换电路或Buck降压变换电路。
4.如权利要求1所述的一种改进型太阳能光伏MPPT控制系统，其特征在于，所述电流传感器优选为霍尔传感器。
5.一种如权利要求1-4所述的改进型太阳能光伏MPPT控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过电压传感器和电流传感器分别检测出电压Uk和电流Ik，计算出功率Pk＝UkIk，并进一步得到ΔUk＝Uk-Uk-1，ΔIk＝Ik-Ik-1， ΔPk＝Pk-Pk-1；
(2)进一步得出占空比变化量ΔD，且
(3)判断ΔDk是否大于等于预先设定的基准占空比参数Dref；如果是，直接执行步骤(4)；如果不是，令ΔDk＝Dref，然后执行步骤(4)；
(4)令判断S是否大于等于0；如果是，执行步骤(5)；如果不是，执行步骤(6)；
(5)判断ΔP是否等于0；如果是，返回；如果不是，执行步骤(7)；
(6)判断ΔU是否大于0；如果是，执行步骤(9)；如果不是，执行步骤(8)；
(7)判断ΔP是否大于0；如果是，进一步判断ΔU是否大于0，如果ΔP大于0且ΔU大于0执行步骤(8)，如果ΔP大于0且ΔU不大于0执行步骤(9)；如果ΔP不大于0，进一步判断ΔU是否小于0，如果ΔP不大于0且ΔU小于0执行步骤(8)，如果ΔP不大于0且ΔU不小于0执行步骤(9)；
(8)Dk+1＝Dk+ΔDk；
(9)Dk+1＝Dk-ΔDk；
Uk-1＝Uk,Ik-1＝Ik,Pk-1＝Pk，返回。
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