CN109213261A - 一种应用于mppt防止太阳能电池板电压崩溃的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能电池板控制领域,具体涉及一种应用于MPPT防止太阳能电池板电压崩溃的控制方法。设置太阳能电池板端电压最小值控制器G1,并设计G1输出信号的上下限幅值ipvmax1和ipvmin1,将G1输出经限幅的信号ipv1与来自于MPPT算法的指令电流imppt送入取最小值环节得到ix1=min(ipv1,imppt);同时设置太阳能电池板端电压最大值Vpvmax控制器G2,并设计G2输出信号的上下限幅值ipvmax2和ipvmin2,将G2输出经限幅的信号ipv2与ix1信号送入到取最大值环节得到ipv*=max(ipv2,ix1),将ipv*作为最后的期望的太阳能电池板输出电流指令信号。本发明能够保证在实施MPPT算法过程中不因为MPPT算法电流指令误动而导致太阳能电池板电压崩溃现象的出现,并且可在一定程度上加快MPPT的速度。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池板控制领域,具体涉及一种应用于MPPT防止太阳能电池板电压崩溃的控制方法。
背景技术
随着煤炭、石油等不可再生能源的日渐枯竭,能源问题日益成为制约经济发展的重要因素,越来越多的国家开始实行“阳光计划”,即开发可再生的太阳能资源,以寻求经济发展的新动力,欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源的开发,在国际光伏市场巨大潜力的推动下,各国的太阳能电池制造业争相投入巨资,扩大生产,以争一席之地;从长远来看,随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光电转换技术的发展,各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求,太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法,可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。。
由于传统的利用功率变换器通过调节太阳能电池板输出电流实现最大功率捕获的方法,即MPPT方法,在实施MPPT算法过程中,因为MPPT算法电流指令误动,会导致太阳能电池板电压崩溃现象的出现,并且MPPT算法的速度有待提高。
目前的太阳能电池板,结合附图1中曲线1所示太阳能电池板的固有伏安特性,在最佳效率点M1以前,太阳能电池板电压Vp随其输出电流Ip的增加而近似线性的降低但在M1点以后,电压急剧下降,在很小的Ip变化范围内Vp迅速下降到零。在MPPT算法中,例如爬山法,其通过在固定时间间隔内对Ip施加固定增量的正极性或者负极性的电流指令扰动±ΔIp来逼近最佳效率点。假设太阳能电池板运行在M1点附近,出于MPPT跟踪的需要,可能再施加正极性的电流增量+ΔIp,若ΔIp的数值较大,则反而可能导致Vp突然出现大幅跌落,从而远离最佳效率工作点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于MPPT防止太阳能电池板电压崩溃的控制方法,以保证在实施MPPT算法过程中不因为MPPT算法电流指令误动而导致太阳能电池板电压崩溃现象的出现,并且可在一定程度上加快MPPT的速度。
本发明实施例提供一种应用于MPPT防止太阳能电池板电压崩溃的控制方法,包括:
步骤一:根据所采用的具体型号的太阳能电池板特性曲线,分析得到太阳能电池板端电压的上限值Vpvmax和太阳能电池板端电压的下限值Vpvmin;
步骤二:通过确定一种实现功率追踪的方法爬山法,将最终实现最大功率点跟踪的控制量映射到控制太阳能电池板的电流上,得到控制Boost变换器的电感电流;
步骤三:通过设计太阳能电池板端电压最小值控制器G1,确定太阳能电池板端电压最小值控制器G1输出信号的上限幅值ipvmax1和太阳能电池板端电压最小值控制器G1输出信号的下限幅值ipvmin1;
步骤四:通过设计太阳能电池板端电压最大值控制器G2,确定太阳能电池板端电压最大值控制器G2输出信号的上限幅值ipvmax2和太阳能电池板端电压最大值控制器G2输出信号的下限幅值ipvmin2;
步骤五:通过设计太阳能电池板端输出电流控制器G3,确定太阳能电池板端输出电流控制器G3输出信号的上限幅值dmax和太阳能电池板端输出电流控制器G3输出信号的下限幅值dmin;
步骤六:通过将电压传感器VS1测量得到的太阳能电池板端电压Vpv与允许的太阳能电池板端电压最小值Vpvmin进行偏差计算,将得到的太阳能电池板端电压Vpv与允许的太阳能电池板端电压最小值Vpvmin的偏差送入步骤三所述的太阳能电池板端电压最大值控制器G1,进行太阳能电池板端电压最小值控制,运算得到第一电流控制信号ipv1;
步骤七:通过将电压传感器VS1测量得到的太阳能电池板端电压Vpv与允许的太阳能电池板端电压最大值Vpvmax进行偏差计算,将得到的太阳能电池板端电压Vpv与允许的太阳能电池板端电压最大值Vpvmax的偏差送入步骤四所述的太阳能电池板端电压最大值控制器G2,进行太阳能电池板端电压最大值控制,运算得到第二电流控制信号ipv2;
步骤八:根据MPPT算法在系统中进行运算,得到第三控制信号imppt;
步骤九:通过将步骤六所述的第一电流控制信号ipv1与步骤八所述的第三控制信号imppt送入取最小值环节,得到中间信号ix1=min(ipv1,imppt);
步骤十:通过将步骤七所述的第二电流控制信号ipv2与步骤九所述的中间信号ix1送入取最大值环节,得到功率变换器电感电流指令信号ipv*=max(ipv2,ix1);
步骤十一:通过将电流传感器CS1测量到的太阳能电池板输出电流ipv与步骤十所述的功率变换器电感电流指令信号ipv*进行偏差计算,将得到的太阳能电池板输出电流ipv与功率变换器电感电流指令信号ipv*的偏差送入步骤五所述的太阳能电池板端输出电流控制器G3,进行运算得到电压控制信号uc,通过将所述的电压控制信号uc用于PWM调制,得到驱动Boost变换器开关管的脉冲信号;
步骤十二:通过判断控制性能指标是否满足性能指标要求、达到控制效果,决定是否返回步骤一进行重新运算;
所述步骤八,包括:
根据MPPT算法在系统中进行运算,得到第三控制信号imppt;
其中,所述MPPT算法分为两个阶段:
(a)按照一定较高斜率,以固有步长ΔIp增加第三控制信号imppt的数值,达到与太阳能电池板端电压最大值控制器G2输出量第二电流控制信号ipv2接近状态,满足(ipv2imppt)≤ΔIp的状态;
(b)将步长ΔIp减小到ΔIpx=ΔIp/2,再根据MPPT算法进行寻优跟踪;在执行MPPT算法过程中,当满足(imppt-ipv1)≥ΔIpx时,修正MPPT算法寻优方向,避免太阳能电池板电压崩溃;
本发明的有益效果在于:
1.本发明在利用功率变换器通过调节太阳能电池板输出电流实现最大功率捕获方法,即MPPT方法的基础上,通过引入太阳能电池板端电压上限值和太阳能电池板端电压下限值控制环路,并设计特定的基于取最大值和取最小值的逻辑控制结构,保证在实施MPPT算法过程中不因为MPPT算法电流指令误动而导致太阳能电池板电压崩溃现象的出现,并且一定程度上加快执行MPPT算法的速度。
附图说明
图1为一种应用于MPPT防止太阳能电池板电压崩溃的控制方法的流程图;
图2为本发明所述太阳能电池板的伏安特性示意图;
图3为本发明所述控制方法示意图;
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明做进一步描述:
图1为一种应用于MPPT防止太阳能电池板电压崩溃的控制方法的流程图;
图2为本发明所述太阳能电池板的伏安特性示意图;
图3为本发明所述控制方法示意图。
本发明的技术方案是这样实现的:
(1)由于太阳能电池板在不同光照强度下获得最大功率的对应工作点的电压值比较接近,因此根据所采用的具体型号的太阳能电池板的特性曲线,确定电池板端电压的上限值和下限值Vpvmax和Vpvmin。
(2)确定一种实现功率追踪的方法(例如爬山法等),将最终实现最大功率点跟踪的控制量映射到控制太阳能电池板的电流上,对应附图1,即是控制Boost变换器的电感电流。
(3)设计太阳能电池板端电压最小值控制器G1,并且确定其输出信号的限幅值ipvmax1和ipvmin1。
(4)设计太阳能电池板端电压最大值控制器G1,并且确定其输出信号的限幅值ipvmax2和ipvmin2。
(5)设计太阳能电池板端输出电流控制器G3,并且确定其输出信号的限幅值dmax和dmin。
(6)进行太阳能电池板端电压最小值控制。将测量到的太阳能电池板端电压Vpv与允许的太阳能电池板端电压最小值Vpvmin的偏差送入控制器G1进行运算,产生电流控制信号ipv1。
(7)进行太阳能电池板端电压最大值控制。将测量到的太阳能电池板端电压Vpv与允许的太阳能电池板端电压最大值Vpvmax的偏差送入控制器G2进行运算,产生电流控制信号ipv2。
(8)进行MPPT算法,获得控制信号imppt。在有太阳能电池板端电压控制环路情况下,可以更加快速的实施MPPT算法。分为两个阶段,即(a)首先可按照一定的较高斜率,以固有步长ΔIp增加imppt的数值,达到与太阳能电池板端电压最大值控制器输出量ipv2接近状态,例如满足(ipv2-imppt)≤ΔIp的状态;(b)将步长ΔIp减小(例如减小到ΔIpx=ΔIp/2)再正式根据MPPT算法进行寻优跟踪。(在MPPT过程中,当满足(imppt-ipv1)≥ΔIpx时,可以修正MPPT寻优的方向,进一步避免太阳能电池板电压崩溃)
(9)将ipv1与imppt送入取最小值环节得到ix1=min(ipv1,imppt)。
(10)将ix1与ip2送入取最大值环节得到ipv*=max(ipv2,ix1)。
(11)将ipv*作为功率变换器电感电流指令信号。将ipv*与将利用电流传感器测量到的太阳能电池板输出电流ipv的偏差送入控制器G3进行运算,产生控制信号uc,将uc用于PWM调制,产生驱动Boost变换器开关管的脉冲信号。
(12)若没有达到期望的控制效果,则返回(1)-(11)中相应的设计步骤,直到获得满意的实际运行结果。
本发明提供的是一种应用于MPPT防止太阳能电池板电压崩溃的控制方法,具体包括:所述方法的技术细节和在应用中的实施过程。
本发明的主要贡献和特点在于:
(1)在利用功率变换器通过调节太阳能电池板输出电流实现最大功率捕获(MPPT)的方法的基础上,设置太阳能电池板端电压最小值Vpvmin控制器G1,并设计G1输出信号的上下限幅值ipvmax1和ipvmin1,将G1输出经限幅的信号ipv1与来自于MPPT算法的指令电流imppt送入取最小值环节得到ix1=min(ipv1,imppt);
(2)同时设置太阳能电池板端电压最大值Vpvmax控制器G2,并设计G2输出信号的上下限幅值ipvmax2和ipvmin2,将G2输出经限幅的信号ipv2与ix1信号送入到取最大值环节得到ipv*=max(ipv2,ix1),将ipv*作为最后的期望的太阳能电池板输出电流指令信号。
结合附图3,本发明的目的是这样实现的(为便于叙述方便,在附图2中以Boost变换器为例进行说明,其它形式的变换器也可行):
附图3中,将利用电压传感器VS1测量到的太阳能电池板端电压Vpv与允许的太阳能电池板端电压最小值Vpvmin的偏差送入控制器G1(G1输出信号的上下限幅值分别为ipvmax1和ipvmin1)进行运算,产生电流控制信号ipv1。由太阳能电池板最大功率捕获MPPT算法产生的电流控制信号为imppt。将ipv1和imppt送入取最小值环节,得到ix1=min(ipv1,imppt)。
将利用电压传感器VS1测量到的太阳能电池板端电压Vpv与允许的太阳能电池板端电压最大值Vpvmax的偏差送入控制器G2(G2输出信号的上下限幅值分别为ipvmax2和ipvmin2)进行运算,产生电流控制信号ipv2。将ipv2和ix1送入取最大值环节,得到ipv*=max(ipv2,ix1)。将ipv*作为最后的期望的太阳能电池板输出电流指令信号。
将ipv*与将利用电流传感器CS1测量到的太阳能电池板输出电流ipv的偏差送入控制器G3进行运算,产生控制信号uc,将uc用于PWM调制,产生驱动Boost变换器开关管的脉冲信号(Boost变换器为成熟技术,在此不再赘述)。
Claims (2)
1.一种应用于MPPT防止太阳能电池板电压崩溃的控制方法,其特征在于,包括:
步骤一:根据所采用的具体型号的太阳能电池板特性曲线,分析得到太阳能电池板端电压的上限值Vpvmax和太阳能电池板端电压的下限值Vpvmin;
步骤二:通过确定一种实现功率追踪的方法爬山法,将最终实现最大功率点跟踪的控制量映射到控制太阳能电池板的电流上,得到控制Boost变换器的电感电流;
步骤三:通过设计太阳能电池板端电压最小值控制器G1,确定太阳能电池板端电压最小值控制器G1输出信号的上限幅值ipvmax1和太阳能电池板端电压最小值控制器G1输出信号的下限幅值ipvmin1;
步骤四:通过设计太阳能电池板端电压最大值控制器G2,确定太阳能电池板端电压最大值控制器G2输出信号的上限幅值ipvmax2和太阳能电池板端电压最大值控制器G2输出信号的下限幅值ipvmin2;
步骤五:通过设计太阳能电池板端输出电流控制器G3,确定太阳能电池板端输出电流控制器G3输出信号的上限幅值dmax和太阳能电池板端输出电流控制器G3输出信号的下限幅值dmin;
步骤六:通过将电压传感器VS1测量得到的太阳能电池板端电压Vpv与允许的太阳能电池板端电压最小值Vpvmin进行偏差计算,将得到的太阳能电池板端电压Vpv与允许的太阳能电池板端电压最小值Vpvmin的偏差送入步骤三所述的太阳能电池板端电压最大值控制器G1,进行太阳能电池板端电压最小值控制,运算得到第一电流控制信号ipv1;
步骤七:通过将电压传感器VS1测量得到的太阳能电池板端电压Vpv与允许的太阳能电池板端电压最大值Vpvmax进行偏差计算,将得到的太阳能电池板端电压Vpv与允许的太阳能电池板端电压最大值Vpvmax的偏差送入步骤四所述的太阳能电池板端电压最大值控制器G2,进行太阳能电池板端电压最大值控制,运算得到第二电流控制信号ipv2;
步骤八:根据MPPT算法在系统中进行运算,得到第三控制信号imppt;
步骤九:通过将步骤六所述的第一电流控制信号ipv1与步骤八所述的第三控制信号imppt送入取最小值环节,得到中间信号ix1=min(ipv1,imppt);
步骤十:通过将步骤七所述的第二电流控制信号ipv2与步骤九所述的中间信号ix1送入取最大值环节,得到功率变换器电感电流指令信号
步骤十一:通过将电流传感器CS1测量到的太阳能电池板输出电流ipv与步骤十所述的功率变换器电感电流指令信号进行偏差计算,将得到的太阳能电池板输出电流ipv与功率变换器电感电流指令信号的偏差送入步骤五所述的太阳能电池板端输出电流控制器G3,进行运算得到电压控制信号uc,通过将所述的电压控制信号uc用于PWM调制,得到驱动Boost变换器开关管的脉冲信号;
步骤十二:通过判断控制性能指标是否满足性能指标要求、达到控制效果,决定是否返回步骤一进行重新运算。
2.根据权利要求1所述的一种应用于MPPT防止太阳能电池板电压崩溃的控制方法,其特征在于,所述步骤八,包括:
根据MPPT算法在系统中进行运算,得到第三控制信号imppt;
其中,所述所述MPPT算法分为两个阶段:
(a)按照一定较高斜率,以固有步长ΔIp增加第三控制信号imppt的数值,达到与太阳能电池板端电压最大值控制器G2输出量第二电流控制信号ipv2接近状态,满足(ipv2imppt)≤ΔIp的状态;
(b)将步长ΔIp减小到ΔIpx=ΔIp/2,再根据MPPT算法进行寻优跟踪;在执行MPPT算法过程中,当满足(imppt-ipv1)≥ΔIpx时,修正MPPT算法寻优方向,避免太阳能电池板电压崩溃。
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