CN105048800B - 一种光伏发电系统的双扰动mppt控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型低磁光伏发电系统的双扰动MPPT控制方法，其中开关电容变换器作为MPPT的控制电路，由两个开关电容单元SC1和SC2与直流滤波器组成，在此基础上提出了一种双扰动P&O算法，SC1和SC2均采用变步长算法，选取不同的速度因子，形成双向互补控制方式，即其中一个进入死区后则只能反向扰动，其正向扰动由另一个完成，这种控制方式既提高了扰动收敛速度又解决了死区问题，可以快速稳定地启动并减少误判，有效降低系统输出功率在最大功率点处的振荡现象，减少光伏组件的能量损耗。
Description
技术领域
本发明涉及光伏并网发电系统领域，利用开关电容变换器实现MPPT的控制，使光能以最大效率转化为电能输出。
技术背景
如今，随着分布式发电系统的高速发展，现代光伏电源并网系统开始向着低磁化和小型化的方向发展，开关电容变换器具有体积小，重量轻，低磁化等优点，在光伏发电系统中具有较大的应用前景，那么对光伏发电系统来说，最大功率点跟踪(Maximum PowerPoint Tracking，MPPT)又是必不可少的，因此光伏阵列输出侧接低磁开关电容变换器的情况下如何对光伏阵列进行MPPT跟踪控制是光伏研究的一个重要方向。
在光伏MPPT算法中，传统的扰动观察法一般可分为定步长算法和变步长算法，定步长算法难以兼顾速度和精度；变步长算法又难以兼顾收敛速度和死区问题。而且算法本身是建立在单一开关输出占空比的基础上，一旦进入死区便很难自主返回，可能会导致MPPT跟踪失败。因此需要提出一种在不同收敛区域的互补性算法以兼顾跟踪的速度，精度和稳定性。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供基于开关电容变换器的双扰动MPPT控制方法。
为实现上述的发明目的，本发明采用下述技术方案：
本发明所指的开关电容变换器是由开关电容单元SC1和SC2以及直流滤波器构成，SC1和SC2有独立的MPPT控制器，为方便说明，规定开关电容单元SC1和SC2的占空比指的就是对应开关Sa1，Sa2的占空比D1和D2。在开关频率不变的条件下，随着Sa1，Sa2的占空比的增大输出电压单调递增，通过调节占空比D1和D2可以控制直流斩波电压，从而实现最大功率点跟踪控制。
一种光伏发电系统的双扰动MPPT控制方法，所述的双扰动MPPT控制方法包括以下步骤：
步骤1：利用双向互补控制方式进行控制，由于开关电容变换器是非互补性结构，考虑到实际的情况，开关电容单元SC1和SC2的占空比D1和D2属于区间[0，b]时，系统属于正常工作状态，若超出这个区间时，则属于溢出状态，其中b略小于1，其中i＝1，2。若开关电容单元SC1的占空比D1与ΔP·ΔV满足如下条件之一，则该开关电容单元停止扰动，其当前周期的扰动任务在下一个周期内由开关电容单元SC2完成：
①D1＞b且ΔP·ΔV＜0
②D1＜0且ΔP·ΔV＞0
若开关电容单元SC2的占空比D2与ΔP·ΔV满足如下条件之一时，则该开关电容单元停止扰动，其当前周期的扰动任务在下一个周期内由SC1开关电容单元完成：
③D2＞b且ΔP·△V＜0
④D2＜0且ΔP·△V＞0
由于SC1和SC2设计在不同的收敛区域，应用双向互补控制方式可以保证收敛速度的同时减少死区，提高最大功率点跟踪的稳定性。
步骤2：利用变步长扰动观察法结合双向互补控制方式进行控制，开关电容单元SC1和SC2速度因子分别为N1和N2，扰动步长分别为N1×|ΔP/ΔV|和N2×|ΔP/ΔV|，系统总的扰动步长为(N1+N2)×|ΔP/ΔV|，在此设定ΔD1max和ΔD2max分别对应SC1和SC2在变步长算法中最大占空比调整量。为了保证迭代的收敛性，变步长扰动方法应该遵循下式：
N1×|dP/dU|max＜ΔD1max (1)
N2×|dP/dU|max＜ΔD2max (2)
式中|dP/dU|max需要根据光伏阵列的特性计算，由于当最大步长ΔDmax＜1.25时，算法将以趋于0的误差收敛于MPP，即ΔD1max+ΔD2max＜1.25，根据系统稳定性的要求选取合适的ΔD1max避免SC1进入死区，根据系统快速性的要求选取合适的ΔD2max保证收敛速度，由于是双向互补控制方式，同时可以使容易进入死区的SC2自主返回脱离死区。通过双向互补控制方式和变步长扰动观察法的结合，在提高步长收敛速度的同时又能尽可能避免死区问题。由于不同速度因子下的收敛区域不同，使得控制系统互补性强，进一步减小死区的可能性。
附图说明
图1为本发明的光伏发电系统结构图。
图2为本发明的开关电容单元SC1的算法流程图。
图3为本发明的开关电容单元SC2的算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
图1为光伏发电系统结构图，主要由光伏电池，SC1和SC2组成的开关电容变换器，直流滤波器和逆变器组成。在控制电路中，采集的电压和电流信号经过A/D转换接入MPPT控制器，其应用双扰动P&O算法，输出占空比D1和D2，通过脉宽调制(PWM)发生器，控制相应的开关操作。
所述的开关电容变换器可分为四个工作状态：①模态一，开关Sb1和Sb2导通，Sa1和Sa2关断，VPV向C1，C2充电，同时向负载放电，此时电压V0＝VPV。②模态二，开关Sb2和Sa1导通，Sb1和Sa2关断，VPV向C2充电，同时串联C1一起向负载放电，此时电压V0＝2VPV。③模态三，开关Sb1和Sa2导通，Sb2和Sa1关断，VPV向C1充电，同时串联C2一起向负载放电，此时电压V0＝2VPV。④模态四，开关Sa1和Sa2导通，Sb1和Sb2关断，VPV串联C1和C2一起向负载放电，此时电压V0＝3VPV。
在一个周期内开关电容变换器在模态①～④之间进行切换，通过调节各个模态之间的时间长短可以控制直流系统输出电压，从而实现直流斩波的功能。开关频率不变时，随着Sa1，Sa2的占空比的增大输出电压单调递增，为方便说明，规定开关电容单元SC1和SC2的占空比指的就是对应开关Sa1，Sa2的占空比D1和D2。
所述的开关电容变换器是非互补性结构，其SC1和SC2的占空比越趋于1，对应的电容电压纹波就越大，考虑到实际的情况，应该使占空比Di(i＝1，2)属于区间[0，b]时，系统属于正常工作状态，若超出这个区间时，则属于溢出状态，当Di＞b时为正向溢出，当Di＜0时为反向溢出，其中b略小于1。设变量S1和S2分别为SC1和SC2的扰动错误标志，初始化为0，若Di＞b且ΔP·ΔV＜0则Si＝-1；若Di＜0且ΔP·ΔV＞0则Si＝1。
图2为SC1的算法流程图，当D1＞b且ΔP·ΔV＜0时，SC1正向溢出且扰动方向无效，令S1＝-1，在下个周期初始阶段，在SC2的算法控制器上执行“Vk+S1N2|ΔP/ΔV|，S1＝0”，也就是说SC1的扰动任务在下个周期内由SC2完成；当D1＜0且ΔP·ΔV＞0时，SC1反向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S1＝1，在下个周期初始阶段，SC2的算法控制器上会执行“Vk+S1N2|ΔP/ΔV|，S1＝0”，也就是说SC1的扰动任务在下个周期内由SC2完成。
图3为SC2的算法流程图，当D2＞b且ΔP·ΔV＜0时，SC2正向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S2＝-1，在下个周期初始阶段，在SC1的算法控制器上执行“Vk+S2N1|ΔP/△V|，S2＝0”，也就是说SC2的扰动任务在下个周期内由SC1完成；当D2＜0且ΔP·ΔV＞0时，SC2反向溢出且扰动方向无效，此时扰动停止，令S2＝1，在下个周期初始阶段，在SC1的算法控制器上执行“Vk+S2N1|ΔP/ΔV|，S1＝0”，也就是说SC2的扰动任务在下个周期内由SC1完成。
所述的SC1和SC2均采用变步长算法，速度因子分别为N1和N2，扰动步长分别为N1×|ΔP/△V|和N2×|ΔP/△V|，系统总的扰动步长为(N1+N2)×|ΔP/△V|，在此设定ΔD1max和ΔD2max分别对应SC1和SC2在变步长算法中最大占空比调整量。为了保证迭代的收敛性，变步长扰动方法应该遵循下式：
N1×|dP/dU|max＜ΔD1max (1)
N2×|dP/dU|max＜ΔD2max (2)
式中|dP/dU|max需要根据光伏阵列的特性计算，由于当最大步长ΔDmax＜1.25时，算法将以趋于0的误差收敛于MPP，即ΔD1max+ΔD2max＜1.25，根据系统稳定性的要求选取合适的ΔD1max避免SC1进入死区，根据系统快速性的要求选取合适的ΔD2max保证收敛速度，由于是双向互补控制方式，同时可以使容易进入死区的SC2自主返回脱离死区。通过双向互补控制方式和变步长扰动观察法的结合，在提高步长收敛速度的同时又能尽可能避免死区问题。由于不同速度因子下的收敛区域不同，使得控制系统互补性强，进一步减小死区的可能性。
Claims (1)
1.一种光伏发电系统的双扰动MPPT控制方法，其特征在于：所述的双扰动MPPT控制方法包括以下步骤：
步骤1：利用双向互补控制方式进行控制，开关电容单元SC1中的开关Sa1的占空比为D1，开关电容单元SC2中的开关Sa2的占空比为D2；规定SC1和SC2的占空比分别为D1和D2，每个开关周期内开关电容变换器的输入电压变化量和输入功率变化量分别为ΔV和ΔP；设定常数b略小于1，若开关电容单元SC1的占空比D1与ΔP·ΔV满足如下条件之一，则该开关电容单元停止扰动，其当前周期的扰动任务在下一个周期内由开关电容单元SC2完成：
①D1＞b且ΔP·ΔV＜0
②D1＜0且ΔP·ΔV＞0
若开关电容单元SC2的占空比D2与ΔP·ΔV满足如下条件之一时，则该开关电容单元停止扰动，其当前周期的扰动任务在下一个周期内由SC1开关电容单元完成：
③D2＞b且ΔP·ΔV＜0
④D2＜0且ΔP·ΔV＞0
步骤2：利用变步长扰动观察法结合双向互补控制方式进行控制，开关电容单元SC1和SC2速度因子分别为N1和N2，扰动步长分别为N1×|ΔP/ΔV|和N2×|ΔP/ΔV|，系统总的扰动步长为(N1+N2)×|ΔP/ΔV|，在此设定ΔD1max和ΔD2max分别对应SC1和SC2在变步长算法中最大占空比调整量，变步长扰动方法遵循下式：
N1×|ΔP/ΔV|max＜ΔD1max (1)
N2×|ΔP/ΔV|max＜ΔD2max (2)
若ΔD1max+ΔD2max＜1.25，则算法将以趋于0的误差收敛于MPP，根据系统稳定性的要求选取合适的ΔD1max避免SC1进入死区，根据系统快速性的要求选取合适的ΔD2max保证收敛速度，双向互补控制方式可以使容易进入死区的SC2自主返回脱离死区。
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