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CN106300612A - 用于光伏直流供电系统中dc/dc的双模式控制系统及方法 - Google Patents

用于光伏直流供电系统中dc/dc的双模式控制系统及方法 Download PDF

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CN106300612A
CN106300612A CN201610737274.8A CN201610737274A CN106300612A CN 106300612 A CN106300612 A CN 106300612A CN 201610737274 A CN201610737274 A CN 201610737274A CN 106300612 A CN106300612 A CN 106300612A
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CN
China
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output
maximum power
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voltage
power point
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Pending
Application number
CN201610737274.8A
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English (en)
Inventor
朱国荣
贾舒然
严家俊
周鹏
孟培培
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Wuhan University of Technology WUT
Original Assignee
Wuhan University of Technology WUT
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/35—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering with light sensitive cells
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/66—Regulating electric power
    • G05F1/67—Regulating electric power to the maximum power available from a generator, e.g. from solar cell
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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Abstract

本发明提供一种用于光伏直流供电系统中DC/DC的双模式控制系统，从主电路获取参数，与输出电压给定值进行比较和算法处理，通过PWM调制单元输出方波驱动信号控制主电路的开关管，本控制系统还包括输出恒压控制模块采用恒压输出模式；最大功率点跟踪控制模块采用最大功率点跟踪模式；控制模式切换模块用于在输出恒压控制模块和最大功率点跟踪控制模块二者之间切换。本发明通过合理选择控制模式，使输入电源为光伏电池、工作在恒压输出模式下的DC/DC稳定运行。

Description

用于光伏直流供电系统中DC/DC的双模式控制系统及方法
技术领域
本发明属于光伏电池领域，具体涉及一种用于光伏直流供电系统中DC/DC的双模式控制系统及方法。
背景技术
由于太阳能容易受各种外界环境因素的影响，光伏发电的平稳度相较其它能源差，因而目前光伏电池主要用于给蓄电池充电或者并网，在这两种场合中，光伏电池的工作点都需要被控制在它的最大功率点（MPP）。而对于无储能环节的光伏电池直接向负载供电的离网发电模式，由于太阳能的不稳定性，相关方面的研究较少。但在某些场合中，这种直接供电的发电方式会被采用，如无蓄电池的光伏水泵和某些用于直流微电网供电的光伏发电系统等。在这些场合中，光伏电池通过DC/DC连接到负载，DC/DC有两种工作模式，一种是恒压输出模式，另一种是最大功率点追踪模式（MPPT）。
在某些情况下，光伏电池所能达到的最大功率输出大于负载可以吸收的最大功率，这时如果仍然控制DC/DC使光伏电池工作在最大功率输出下，则可能使得负载的端电压大于其最大允许的电压值，可能导致负载因吸收的功率过大而烧毁，因此在这种情况下，不能控制DC/DC使得光伏电池工作在最大功率输出模式下，DC/DC的控制目标必须从“维持光伏电池的最大功率输出”转移到“维持DC/DC输出电压恒定”。然而，传统的DC/DC的恒压输出控制方法往往都只适用于输入电源的内阻抗较小的情况下，而对于以光伏电池为输入电源的DC/DC，由于光伏电池的内阻抗较大，因而传统的DC/DC恒压控制输出方式往往无法稳定控制输出电压。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种用于光伏直流供电系统中DC/DC的双模式控制系统及方法，能够使输入电源为光伏电池、工作在恒压输出模式下的DC/DC稳定运行。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种用于光伏直流供电系统中DC/DC的双模式控制系统，从主电路获取参数，与输出电压给定值进行比较和算法处理，通过PWM调制单元输出方波驱动信号控制主电路的开关管，其特征在于：本控制系统还包括：
输出恒压控制模块，用于采用恒压输出模式，将主电路的实际输出电压和输出电压给定值进行比较，得到误差值后进行补偿，输出PWM调制单元的占空比；
最大功率点跟踪控制模块，用于采用最大功率点跟踪模式输出PWM调制单元的占空比，并根据主电路的实际输入电压、实际输入电流、实际输出电压和输出电压给定值，采用最大功率点跟踪算法，得到最大功率点对应的光伏电池端电压；
控制模式切换模块，用于在输出恒压控制模块和最大功率点跟踪控制模块二者之间切换，切换规则为：在恒压输出模式下，若主电路的实际输入电压小于最大功率点对应的光伏电池端电压，则切换至最大功率点跟踪模式；在最大功率点跟踪模式下，若主电路的实际输出电压达到输出电压给定值，则切换至恒压输出模式。
一种上述用于光伏直流供电系统中DC/DC的双模式控制系统的控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、主电路上电后，首先采用最大功率点跟踪模式输出PWM调制单元的占空比；
S2、当主电路的实际输出电压达到输出电压给定值，则切换至恒压输出模式；
S3、在恒压输出模式下，若主电路的实际输入电压小于最大功率点对应的光伏电池端电压，则重新切换至最大功率点跟踪模式，并返回S2。
本发明的有益效果为：通过合理选择控制模式，解决传统DC/DC恒压输出的控制方式用于光伏稳压输出的时的不稳定的问题，使输入电源为光伏电池、工作在恒压输出模式下的DC/DC稳定运行。
附图说明
图1为本发明一实施例的系统整体结构图。
图2为控制切换方法流程图。
图3为本发明一实施例的主电路原理图。
图4为现有技术的仿真模型图。
图5为本发明一实施例的仿真模型图。
图6为图4仿真所得的输出电压波形图。
图7为图5仿真所得的输出电压波形图。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种用于光伏直流供电系统中DC/DC的双模式控制系统，从主电路获取参数，与输出电压给定值进行比较和算法处理，通过PWM调制单元输出方波驱动信号控制主电路的开关管，如图1所示，本控制系统还包括：输出恒压控制模块，用于采用恒压输出模式，将主电路的实际输出电压和输出电压给定值进行比较，得到误差值后进行补偿，输出PWM调制单元的占空比；最大功率点跟踪控制模块，用于采用最大功率点跟踪模式输出PWM调制单元的占空比，并根据主电路的实际输入电压、实际输入电流、实际输出电压和输出电压给定值，采用最大功率点跟踪算法，得到最大功率点对应的光伏电池端电压；控制模式切换模块，用于在输出恒压控制模块和最大功率点跟踪控制模块二者之间切换，如图2所示，切换规则为：在恒压输出模式下，若主电路的实际输入电压小于最大功率点对应的光伏电池端电压，则切换至最大功率点跟踪模式；在最大功率点跟踪模式下，若主电路的实际输出电压达到输出电压给定值，则切换至恒压输出模式。
一种上述用于光伏直流供电系统中DC/DC的双模式控制系统的控制方法，它包括以下步骤：S1、主电路上电后，首先采用最大功率点跟踪模式输出PWM调制单元的占空比；S2、当主电路的实际输出电压达到输出电压给定值，则切换至恒压输出模式；S3、在恒压输出模式下，若主电路的实际输入电压小于最大功率点对应的光伏电池端电压，则重新切换至最大功率点跟踪模式，并返回S2。
本发明的创新与核心之处在于，增加了一个“控制模式切换模块”，其可以根据输入、输出及给定电压，在“恒压输出模式”与“最大功率点跟踪模式”中选择一个需要投入的控制模式，通过合理选择控制模式，可以解决传统DC/DC恒压输出的控制方式用于光伏稳压输出的时的不稳定的问题。
输出恒压控制模块用于维持输出电压为给定电压值，其采用的仍然是传统的DC/DC的恒压控制方法。其根据检测实际输出电压，与输出电压给定值比较后得到误差e，经过补偿网络后输出一个占空比值，经过PWM调制环节调制后成为对应占空比的方波，用于驱动开关管。
最大功率点跟踪模块采用传统的MPPT控制方法，例如扰动观察法（P&O）或增量电导法（InCond）。当该模块跟踪到最大功率点时，会采集输出最大功率点对应的光伏电池端电压，并送往控制模式切换模块，作为切换控制模块的Umpp值。
控制模式切换模块是本系统的核心部分，可以克服传统DC/DC恒压输出的控制方式用于光伏稳压输出的时的不稳定的问题。在运行时，时刻判断系统处于何种控制模式下。若处于恒压输出模式，则时刻检查实际输入电压Ui是否小于最大功率点所对应的光伏电池端电压即Umpp，若小于，则切换至最大功率点跟踪模式，反正则维持原控制模式；若处于最大功率点跟踪模式，则检测实际输出电压Uo是否达到了输出电压给定值，若达到了，则切换至恒压输出模式，反之则维持原模式不变。
下面以主电路为Buck电路举例说明本系统及方法的工作原理。如图3所示的主电路在上电后，由于输入、输出电容均未被充满电，因此光伏电池处于短路状态，工作点处于P-V曲线的原点，此时，必满足实际输入电压Ui<Umpp，因此在控制模式会被切换到最大功率点跟踪模式。在最大功率点跟踪模块的控制下，输出电压逐渐上升，此时，若最大功率Pmax>输出功率Po，则输出电压将会上升至输出电压给定值，当输出电压上升至输出电压给定值后，控制模式会被自动切换至输出恒压控制方式。由于占空比在切换前后仍然保持不变，因而输出电压有过冲的趋势，因此恒压控制模块会降低占空比，最终使电路工作在P-V曲线的最大功率点的右侧，由上面的分析可得，最大功率点的右侧是稳定的，因而输出电压可以被稳定在输出电压给定值。此后，即使在其它因素的作用下，使工作点移动到了P-V曲线的最大功率点的左侧（为不稳定区域），都会使Ui<Umpp，而使电路发生一次重新启动，使工作点由重新恢复到P-V曲线的最大功率点的右侧稳定区域。
若Pmax<Po，则输出电压上升至一定值后会停止上升，电路将会始终工作在最大功率点上。
由上面的举例分析可得，通过引入一个控制模式切换模块，可以实现恒压-最大功率双模式的控制。
为验证所提出的方法的有效性，在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型，如图4、图5所示。其中，光伏电池最大功率点为(15V , 23.5W)，负载大小为6Ω，给定电压为10V。图4为现有技术的仿真模型图，而图5为本本发明一实施例的仿真模型图。
图4、图5仿真所得的输出电压波形图分别如图6、图7所示，可见，在输入光伏电池的辐照度、负载等参数相同的状况下，传统的控制方式，尽管Pmax>Po，但是输出电压最终还是无法稳定在给定值，而对于改进的本发明控制方式下，其前一阶段处于寻找最大功率点的运行方式，而后一阶段切换到了恒压输出控制模式，输出电压最终稳定在了给定值10V。由仿真结果对比可知，本发明具有很高的可行性。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于光伏直流供电系统中DC/DC的双模式控制系统，从主电路获取参数，与输出电压给定值进行比较和算法处理，通过PWM调制单元输出方波驱动信号控制主电路的开关管，其特征在于：本控制系统还包括：
输出恒压控制模块，用于采用恒压输出模式，将主电路的实际输出电压和输出电压给定值进行比较，得到误差值后进行补偿，输出PWM调制单元的占空比；
最大功率点跟踪控制模块，用于采用最大功率点跟踪模式输出PWM调制单元的占空比，并根据主电路的实际输入电压、实际输入电流、实际输出电压和输出电压给定值，采用最大功率点跟踪算法，得到最大功率点对应的光伏电池端电压；
控制模式切换模块，用于在输出恒压控制模块和最大功率点跟踪控制模块二者之间切换，切换规则为：在恒压输出模式下，若主电路的实际输入电压小于最大功率点对应的光伏电池端电压，则切换至最大功率点跟踪模式；在最大功率点跟踪模式下，若主电路的实际输出电压达到输出电压给定值，则切换至恒压输出模式。
2.一种权利要求1所述的用于光伏直流供电系统中DC/DC的双模式控制系统的控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、主电路上电后，首先采用最大功率点跟踪模式输出PWM调制单元的占空比；
S2、当主电路的实际输出电压达到输出电压给定值，则切换至恒压输出模式；
S3、在恒压输出模式下，若主电路的实际输入电压小于最大功率点对应的光伏电池端电压，则重新切换至最大功率点跟踪模式，并返回S2。
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