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CN107219883A - 一种光伏发电最大功率点跟踪控制系统与方法 - Google Patents

一种光伏发电最大功率点跟踪控制系统与方法 Download PDF

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CN107219883A
CN107219883A CN201710448811.1A CN201710448811A CN107219883A CN 107219883 A CN107219883 A CN 107219883A CN 201710448811 A CN201710448811 A CN 201710448811A CN 107219883 A CN107219883 A CN 107219883A
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China
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voltage
point tracking
control system
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何金昌
李德明
菲尔丹尼尔
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    • 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，尤其涉及的是光伏发电最大功率点跟踪控制系统与方法。本发明中的光伏发电最大功率点跟踪控制系统，包括PV阵列，电压变换单元，电压传感器，电流传感器，MPPT控制模块，驱动电路，滤波电容C2和负载。本发明还提供了一种光伏发电最大功率点跟踪控制系统的控制方法，解决了定步长算法稳态性能和动态性能相互矛盾的问题，同时兼顾了最大功率点跟踪的速度和稳态特性，降低了系统震荡，追踪时间短。

Description

一种光伏发电最大功率点跟踪控制系统与方法
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，尤其涉及的是一种光伏发电最大功率点跟踪控制系统与方法。
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，本发明提供了一种光伏发电最大功率点跟踪控制系统与方法，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，同时兼顾了最大功率点跟踪的速度和稳态特性，降低了系统震荡，追踪时间短。
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，提供了一种光伏发电最大功率点跟踪控制系统与方法。
本发明提供了一种光伏发电最大功率点跟踪控制系统，包括PV阵列，电压变换单元，电压传感器，电流传感器，MPPT控制模块，驱动电路，滤波电容C2和负载，所述电压变换单元包括电容C1、电感L1、开关管Q1以及二极管D1；电容C1的两端分别与PV阵列的正负极连接，电感L1的一端连接PV阵列的正极，另一端连接开关管Q1的漏极以及二极管D1的正极，开关管的源极接地，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，驱动电路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控制模块连接驱动电路，并将占空比信号发送给驱动电路。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。
一种上述光伏发电最大功率点跟踪控制系统的控制方法，其包括以下步骤：
(1)令Voc为开路电压，Vref为参考电压，K0为开路电压比例常数，K0一般取值在0.7-0.8之间，此处取为0.78，并将调节参数③和的值分别设置为0.5和0.08，通过电压传感器和电流传感器分别检测出当前电压V(k)和当前电流I(k)，电压增量dV＝V(k)-V(k-1)，电流增量dI＝I(k)-I(k-1)，功率增量dP＝V(k)*I(k)-V(k-1)*I(k-1)；
(2)判断dV是否等于0，如果是，则执行步骤(3)；如果否，则跳转执行步骤(4)；
(3)判断dI是否等于0，如果是，则直接跳转执行步骤(5)，如果否，则进一步判断dI是否大于0；如果dI大于0，则令Vref＝Vref+③V(k)，然后跳转执行步骤(5)；如果dI不大于0，则令然后跳转执行步骤(5)；
(4)判断dI/dV是否等于-I/V，如果是，则直接执行步骤(5)，如果否，则进一步判断dI/dV是否大于-I/V；如果dI/dV不大于-I/V，则令Vref＝Vref+③V(k)，然后执行步骤(5)；如果dI/dV大于-I/V，则令然后执行步骤(5)；
(5)令返回，其中VMPPT为最大功率点电压。
由光伏模块的输出特性曲线知，在最大功率点左侧，曲线较为平滑，dP/dV变化相对平缓，使用大步长快速跟进；在最大功率点右侧，dP/dv变化相对较大，此时使用小步长精确跟踪并稳定在最大功率点，从而提高了MPP跟踪的速度。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
本发明提出的一种光伏发电最大功率点跟踪控制系统与方法相对于传统的MPPT控制系统和方法，同时兼顾了最大功率点跟踪的速度和稳态特性，降低了系统震荡，追踪时间短。
附图说明
图1为本发明提供的光伏发电最大功率点跟踪控制系统结构示意图。
图2为本发明提供的光伏发电最大功率点跟踪控制方法流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种光伏发电最大功率点跟踪控制系统与方法，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，光伏发电最大功率点跟踪控制系统，包括PV阵列，电压变换单元，电压传感器，电流传感器，MPPT控制模块，驱动电路，滤波电容C2和负载，所述电压变换单元包括电容C1、电感L1、开关管Q1以及二极管D1；电容C1的两端分别与PV阵列的正负极连接，电感L1的一端连接PV阵列的正极，另一端连接开关管Q1的漏极以及二极管D1的正极，开关管的源极接地，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，驱动电路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控制模块连接驱动电路，并将占空比信号发送给驱动电路。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，一种上述光伏发电最大功率点跟踪控制系统的控制方法，其包括以下步骤：
(1)令Voc为开路电压，Vref为参考电压，K0为开路电压比例常数，K0一般取值在0.7-0.8之间，此处取为0.78，并将调节参数③和的值分别设置为0.5和0.08，通过电压传感器和电流传感器分别检测出当前电压V(k)和当前电流I(k)，电压增量dV＝V(k)-V(k-1)，电流增量dI＝I(k)-I(k-1)，功率增量dP＝V(k)*I(k)-V(k-1)*I(k-1)；
(2)判断dV是否等于0，如果是，则执行步骤(3)；如果否，则跳转执行步骤(4)；
(3)判断dI是否等于0，如果是，则直接跳转执行步骤(5)，如果否，则进一步判断dI是否大于0；如果dI大于0，则令Vref＝Vref+③V(k)，然后跳转执行步骤(5)；如果dI不大于0，则令然后跳转执行步骤(5)；
(4)判断dI/dV是否等于-I/V，如果是，则直接执行步骤(5)，如果否，则进一步判断dI/dV是否大于-I/V；如果dI/dV不大于-I/V，则令Vref＝Vref+③V(k)，然后执行步骤(5)；如果dI/dV大于-I/V，则令然后执行步骤(5)；
(5)令返回，其中VMPPT为最大功率点电压。
由光伏模块的输出特性曲线知，在最大功率点左侧，曲线较为平滑，dP/dV变化相对平缓，使用大步长快速跟进；在最大功率点右侧，dP/dv变化相对较大，此时使用小步长精确跟踪并稳定在最大功率点，从而提高了MPP跟踪的速度。
仿真结果显示，当光照度大幅度改变时，光伏系统在该算法控制下大幅度向最大功率点靠近，追踪时间短，较快呈稳态输出，并且减少了震荡现象。
本发明的MPPT控制系统与方法相对于传统的算法，同时兼顾了最大功率点跟踪的速度和稳态特性，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。
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)

1.一种光伏发电最大功率点跟踪控制系统，其特征在于，包括PV阵列，电压变换单元，电压传感器，电流传感器，MPPT控制模块，驱动电路，滤波电容C2和负载，其中，驱动电路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控制模块连接驱动电路，并将占空比信号发送给驱动电路。
2.如权利要求1所述的一种光伏发电最大功率点跟踪控制系统，其特征在于，所述电压变换单元包括电容C1、电感L1、开关管Q1以及二极管D1；电容C1的两端分别与PV阵列的正负极连接，电感L1的一端连接PV阵列的正极，另一端连接开关管Q1的漏极以及二极管D1的正极，开关管的源极接地，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所述的一种光伏发电最大功率点跟踪控制系统，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所述的一种光伏发电最大功率点跟踪控制系统，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所述的光伏发电最大功率点跟踪控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)令Voc为开路电压，Vref为参考电压，K0为开路电压比例常数，K0一般取值在0.7-0.8之间，此处取为0.78，并将调节参数③和的值分别设置为0.5和0.08，通过电压传感器和电流传感器分别检测出当前电压V(k)和当前电流I(k)，电压增量dV＝V(k)-V(k-1)，电流增量dI＝I(k)-I(k-1)，功率增量dP＝V(k)*I(k)-V(k-1)*I(k-1)；
(2)判断dV是否等于0，如果是，则执行步骤(3)；如果否，则跳转执行步骤(4)；
(3)判断dI是否等于0，如果是，则直接跳转执行步骤(5)，如果否，则进一步判断dI是否大于0；如果dI大于0，则令然后跳转执行步骤(5)；如果dI不大于0，则令然后跳转执行步骤(5)；
(4)判断dI/dV是否等于-I/V，如果是，则直接执行步骤(5)，如果否，则进一步判断dI/dV是否大于-I/V；如果dI/dV不大于-I/V，则令然后执行步骤(5)；如果dI/dV大于-I/V，则令然后执行步骤(5)；
(5)令返回，其中VMPPT为最大功率点电压。
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