CN112327995A - 一种光伏电池最大功率跟踪切换控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种光伏电池最大功率点跟踪切换控制方法，包括以下步骤：步骤1，建立BOOST变换器功率切换模型，直接描述光伏电池输出功率P受变换器开关状态s调节的工作过程；步骤2，设计光伏电池最大功率跟踪切换控制器，通过定义判定函数式Q，直接生成Boost变换器开关状态，从而实现光伏电池期望最大功率值的跟踪控制；方法具有实现简单，响应迅速，无控制参数的特点。

Description

一种光伏电池最大功率跟踪切换控制方法
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种光伏电池最大功率跟踪切换控制方法。
背景技术
太阳能作为一种清洁能源，其利用效率一直是主要的研究问题。通常采用太阳电池将太阳能转换为电能，太阳电池也称为光伏电池，具有明显的非线性特性，其输出电流随着日照强度和电池结温的变化而变化。因此，在特定的工作环境下光伏电池只存在唯一的最大功率输出点。为了使光伏电池获得最大功率输出，需要进行最大功率跟踪(MaximumPower Point Tracking，MPPT)控制。
目前，光伏电池最大功率跟踪控制方法为通过将光伏电池输出外接DC/DC变换器进行控制。通过DC/DC变换器控制，调整光伏电池外接电路等效电阻的大小，使之与光伏电池内阻相等，从而实现光伏电池最大功率输出。
然而，由于开关器件的存在，DC/DC变换器为典型非线性系统。变换器中开关器件在固定开关状态作用下，系统状态呈连续变化，而开关器件的动作又呈现出离散变化特征。因此，对DC/DC变换器的精准建模变得十分困难。传统采用近似化和线性化方法建立的变换器系统模型不够准确，很难反应出DC/DC变换器的实际电路特征。基于线性化模型的DC/DC变换器传统控制方法，在遇到大信号干扰时控制效果不佳。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种光伏电池最大功率点跟踪切换控制方法，以一类采用升压斩波DC/DC变换器(BOOST变换器)的光伏电池最大功率跟踪控制系统为研究对象；本发明针对光伏电池最大功率跟踪控制系统中的BOOST变换器，建立了基于切换系统理论的变换器切换功率模型；同时，基于所建立功率切换模型，设计了BOOST变换器最大功率切换控制器，从而实现了光伏电池的最大功率跟踪切换控制；可实现对于最大功率点的快速跟踪，具有良好的控制效果的特点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光伏电池最大功率点跟踪切换控制方法，包括以下步骤：
步骤1，建立BOOST变换器功率切换模型
对于Boost变换器，基于基尔霍夫电压、电流定律及变换器工作原理，其工作过程可用如下状态空间模型描述：
Figure BDA0002734193470000021
其中，Boost变换器输入电压为Uin；Boost变换器输入电感为L，流过电感电流，即Boost变换器输入电流为iL；Boost变换器开关函数为s，s＝1表示Boost变换器中功率开关器件导通，s＝0表示Boost变换器中功率开关器件关断；Boost变换器输出滤波电容为C，负载为R；Boost变换器输出直流电压为Uo；
Figure BDA0002734193470000031
表示电感电流iL的导数，
Figure BDA0002734193470000032
表示直流电压Uo的导数；
对于光伏电池最大功率跟踪控制来说，其控制目标为希望光伏电池输出功率P保持在其工作状态最大值，即Boost变换器输入功率P为最大值，提出建立Boost变换器，由输入功率为系统状态变量的功率切换模型表达为：
Figure BDA0002734193470000033
由式(1)及式(2)可见，通过直接控制Boost变换器开关状态，可实现对于Boost变换器输出直流电压及输入电感电流的调节，特别是所述的功率切换模型表达式(2)，实现了开关状态对于Boost变换器输入功率P的直接开关控制，即通过调节开关状态s实现对于光伏电池输出功率P的调节；
步骤2，光伏电池最大功率跟踪切换控制器设计
为实现通过Boost变换器调节实现光伏电池最大输出功率控制的目的，步骤1中建立了已开关状态描述的Boost变换器功率切换模型(2)；通过调节(2)式中开关状态s的状态，即可实现对于光伏电池输出功率，即Boost变换器输入功率P的控制；
为保证在不同开关状态s下Boost变换器的稳定性及输入功率P跟踪期望值，开关状态s的选择，即功率跟踪切换控制器设计如下：
定义如下方程：
Figure BDA0002734193470000034
其中Q为定义状态参数，Pref为光伏电池最大功率期望值，seq＝1-Uo/Uin为Boost变换器占空比，这时，开关状态s选择将依据如下条件
Figure BDA0002734193470000041
即当(3)式计算得到Q值小于0时，控制Boost变换器功率开关器件的开关状态s＝1，即开关器件导通；当(3)式计算得到Q值大于0时，控制Boost变换器功率开关器件的开关状态s＝0，即开关器件关断。
本发明的有益效果是：
与现有线性化建模方法相比，本发明采用功率切换模型(2)实现对于Boost变换器工作过程的描述，具有模型简单，无近似化过程，能够实现变换器工作过程精确描述的优点。同时，与现有控制方法调节占空比实现Boost变换器输出电压及电感电流控制相比，本发明通过定义判定函数式Q，直接判定Q值生成Boost变换器开关状态s，从而实现Boost变换器的输入功率直接切换控制，具有实现简单，相应迅速，无控制参数调整过程及脉冲宽度调整过程的优点。
附图说明
图1为不同光照下的光伏电池输出电压及电流关系曲线(伏-安特性曲线)图。
图2为本发明实施例不同温度下的光伏电池功率输出曲线图。
图3为本发明光伏电池最大功率跟踪系统实现原理图。
图4为本发明Boost变换器电路拓扑图。
图5为在不同功率期望条件下采用本发明方法的光伏电池功率输出仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行进一步的说明。
光伏电池具有明显的非线性特性，其输出电流随着日照强度和电池结温的变化而变化,其输出功率也随之改变。当光伏电池应用于不同的负载时，由于光伏电池输出阻抗与负载阻抗不匹配，也使得光伏系统输出功率降低。
为了使光伏电池在任意的日照、温度和负载情况下，都能有最大的功率输出，即光伏电池始终工作在最大功率点(MPP)处，首先要确定最大功率点在光伏电池伏安特性曲线上的位置。图1表示了不同光照强度条件下，光伏电池输出电压及电流变化曲线。从图1可见，不同光照强度下，光伏电池输出电压最大值及输出电流值并不相同，光照越强时，光伏电池相同输出电压(即端电压)下输出电流值越大，即输出功率越大。图2表示了不同温度条件下，光伏电池端电压及输出功率曲线。如图2可见，随着光伏电池表面温度的变化，光伏电池输出电压，即端电压最大值随之变化。光伏电池表面温度越低时，光伏电池端电压及输出功率值越大。然而，综合图1及图2可见，光伏电池伏-安特性曲线及端电压-功率特性曲线，均存在一拐点，该拐点即为光伏电池输出功率最大值点。为了在限定的条件下最大限度的利用光伏电池输出能力，就要进行最大功率跟踪(MPPT-Max Power Point Tracking)。
从理论上讲，只要将负载与光伏电池完全匹配，在当时环境因素的情况下光伏电池就能处于高效状态，即光伏电池的输出最大功率。但是日常应用中，很难满足负载与光伏电池的直接耦合条件。光伏电池最大功率跟踪系统，即通过将光伏电池输出接DC-DC变换器实现光伏电池输出功率控制，如图3所见，其中，最大功率跟踪控制器MPPT控制器根据太阳能电池的实际输出功率和期望功率值来控制DC-DC变换器的开关状态，从而实现实际输出功率达到期望功率值，实现理论的最大功率跟踪。
因此，对与光伏电池最大功率控制，即为光伏电池连接DC-DC变换器的功率控制。本发明中，以Boost变换器制为光伏电池最大功率控制系统中DC-DC变换器，提出一种针对Boost变换器的功率切换系统模型，并基于所提功率切换模型，提出一种功率切换控制方法。本发明所提光伏电池最大功率跟踪切换控制方法，按照以下步骤实施：
步骤1，建立BOOST变换器功率切换模型
Boost变换器拓扑如图4所示，其中，光伏电池输出直流电压，即Boost变换器输入电压为Uin；Boost变换器输入电感为L，流过电感电流，即Boost变换器输入电流为iL；Boost变换器开关函数为s，s＝1表示Boost变换器中功率开关器件导通，s＝0表示Boost变换器中功率开关器件关断；Boost变换器输出滤波电容为C，负载为R；Boost变换器输出直流电压为Uo，
对于Boost变换器，基于基尔霍夫电压、电流定律及变换器工作原理，其工作过程可用如下状态空间模型描述：
Figure BDA0002734193470000071
其中，Boost变换器输入电压为Uin；Boost变换器输入电感为L，流过电感电流，即Boost变换器输入电流为iL；Boost变换器开关函数为s，s＝1表示Boost变换器中功率开关器件导通，s＝0表示Boost变换器中功率开关器件关断；Boost变换器输出滤波电容为C，负载为R；Boost变换器输出直流电压为Uo；
Figure BDA0002734193470000072
表示电感电流iL的导数，
Figure BDA0002734193470000073
表示直流电压Uo的导数；
对于光伏电池最大功率跟踪控制来说，其控制目标为希望光伏电池输出功率P保持在其工作状态最大值，即Boost变换器输入功率P为最大值；本发明提出建立Boost变换器由输入功率为系统状态变量的功率切换模型，其表达为：
Figure BDA0002734193470000074
由式(1)及式(2)可见，通过直接控制Boost变换器开关状态，可实现对于Boost变换器输出直流电压及输入电感电流的调节，特别是本发明所提功率切换模型表达式(2)，实现了开关状态对于Boost变换器输入功率P的直接开关控制，即通过调节开关状态s实现对于光伏电池输出功率P的调节；
步骤2，光伏电池最大功率跟踪切换控制器设计
为实现通过Boost变换器调节实现光伏电池最大输出功率控制的目的，步骤1中建立了已开关状态描述的Boost变换器功率切换模型(2)；通过调节(2)式中开关状态s的状态，即可实现对于光伏电池输出功率，即Boost变换器输入功率P的控制；
为保证在不同开关状态s下Boost变换器的稳定性及输入功率P跟踪期望值，开关状态s的选择，即功率跟踪切换控制器设计如下：
定义如下方程：
Figure BDA0002734193470000081
其中Q为定义状态参数，Pref为光伏电池最大功率期望值，seq＝1-Uo/Uin为Boost变换器占空比；这时，开关状态s选择将依据如下条件
Figure BDA0002734193470000082
即当(3)式计算得到Q值小于0时，控制Boost变换器功率开关器件的开关状态s＝1，即开关器件导通；当(3)式计算得到Q值大于0时，控制Boost变换器功率开关器件的开关状态s＝0，即开关器件关断。
仿真及实验验证：
依据上述光伏电池最大功率跟踪控制系统，搭建Matlab/Simulink仿真模型实现所提功率切换控制方法仿真验证。仿真参数如下：Boost变换器输入电感L＝5mH，输出滤波电容C＝2000μF，负载电阻R＝100Ω。
图5为模拟光伏电池随温度或光照条件变化时，即最大功率点期望值Pref变化时，采用本发明方法的光伏电池功率输出仿真波形。图5中，虚线为光伏电池输出期望最大功率值，实线为采用本发明最大功率跟踪控制方法的光伏电池实际输出功率值。如图5可见，本发明方法可以保证对于光伏电池最大功率输出的跟踪控制，当光伏电池受环境因素影响(如温度，光照强度等)最大功率点变化时，本发明方法可以实现对于最大功率点的快速跟踪，其跟踪过程迅速，输出波形无明显超调，具有良好的控制效果。图5为所提方法仿真效果图，对应步骤2描述中为保证在不同开关状态s下Boost变换器的稳定性及输入功率P跟踪期望值。

Claims (1)

1.一种光伏电池最大功率点跟踪切换控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，建立BOOST变换器功率切换模型
对于Boost变换器，基于基尔霍夫电压、电流定律及变换器工作原理，其工作过程可用如下状态空间模型描述：
Figure FDA0002734193460000011
其中，Boost变换器输入电压为Uin；Boost变换器输入电感为L，流过电感电流，即Boost变换器输入电流为iL；Boost变换器开关函数为s，s＝1表示Boost变换器中功率开关器件导通，s＝0表示Boost变换器中功率开关器件关断；Boost变换器输出滤波电容为C，负载为R；Boost变换器输出直流电压为Uo；
Figure FDA0002734193460000012
表示电感电流iL的导数，
Figure FDA0002734193460000013
表示直流电压Uo的导数；
对于光伏电池最大功率跟踪控制来说，其控制目标为希望光伏电池输出功率P保持在其工作状态最大值，即Boost变换器输入功率P为最大值；提出建立Boost变换器，由输入功率为系统状态变量的功率切换模型表达为：
Figure FDA0002734193460000014
由式(1)及式(2)可见，通过直接控制Boost变换器开关状态，可实现对于Boost变换器输出直流电压及输入电感电流的调节，特别是所述的功率切换模型表达式(2)，实现了开关状态对于Boost变换器输入功率P的直接开关控制，即通过调节开关状态s实现对于光伏电池输出功率P的调节；
步骤2，光伏电池最大功率跟踪切换控制器设计
为实现通过Boost变换器调节实现光伏电池最大输出功率控制的目的，步骤1中建立了已开关状态描述的Boost变换器功率切换模型(2)；通过调节(2)式中开关状态s的状态，即可实现对于光伏电池输出功率，即Boost变换器输入功率P的控制；
为保证在不同开关状态s下Boost变换器的稳定性及输入功率P跟踪期望值，开关状态s的选择，即功率跟踪切换控制器设计如下：
定义如下方程：
Figure FDA0002734193460000021
其中Q为定义状态参数，Pref为光伏电池最大功率期望值，seq＝1-Uo/Uin为Boost变换器占空比，这时，开关状态s选择将依据如下条件
Figure FDA0002734193460000022
即当(3)式计算得到Q值小于0时，控制Boost变换器功率开关器件的开关状态s＝1，即开关器件导通；当(3)式计算得到Q值大于0时，控制Boost变换器功率开关器件的开关状态s＝0，即开关器件关断。
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