一种小功率穿戴式光伏系统的MPPT控制系统及方法与流程

本发明属于光伏系统中太阳能电池最大功率点跟踪控制技术领域，具体涉及一种小功率穿戴式光伏系统的MPPT控制系统及方法。

背景技术：
随着电子信息技术的发展，出现了许多人体随身携带的移动电子设备，如移动通讯工具、个人数字助理、医学电子装置等。目前这些移动电子设备大多采用电池供电。然而受到电池的能量存储能力、体积大小以及使用寿命等因素的影响，移动设备中电池电能存储容量有限，当电池电量耗尽时，设备也就无法使用，导致设备的使用时间受到限制。随着新能源技术的研究发展，从周围环境中提取能量并将其转换成可用能量，就成了这一问题的潜在解决方案。在新能源的研究过程中，太阳能作为自然界中一种取之不尽用之不竭的清洁能源受到了广泛的青睐。将太阳能转化成电能主要的方法是利用太阳能电池(也称作光伏电池或者光电电池)直接将太阳能转化成电能。太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统。随着光伏发电技术的推广与普及以及柔性太阳能电池的产生，有关穿戴式太阳能收集转化的产品也越来越多地出现在人们的日常生活中。由于太阳能电池材料以及制作工艺等复杂的特性导致能量转化过程中的转换效率很低。而且太阳能电池的输出功率会随着环境温度、光照强度的变化而变化，呈现出非线性的特点。因此除了提高材料工艺从根本上提高转换效率以外，提高光伏电池的输出功率也是光伏发电的重要环节。最大功率点跟踪(MPPT)就是一种令光伏电池输出功率始终保持在最大功率状态的一种技术手段。目前比较成熟的MPPT控制方法主要有扰动观察法、电导增量法、固定电压法，开路电压法等。扰动观察法算法简单、实现方便，但精度和稳定性差，当系统处于后期稳态时，由于需要比较占空比变化前后的功率、电压，因此，光伏电池只能在最大功率点附近振荡运行，造成部分功率损失；而且当环境条件变化极快时.可能造成“电压崩溃”而产生追踪错误。电导增量法对扰动观察法进行了改进，不需要比较占空比变化前后的功率、电压变化情况，因此，可以消除扰动观测法在最大功率点附近的功率振荡现象，控制稳定度高，当外部环境参数变化时系统能平稳地追踪其变化。但控制算法极其复杂，对硬件要求和传感器精度的要求也甚高，增加了系统成本。固定电压法虽然稳定实现简单但是不够精确，其只能控制太阳能电池的工作电压在其最大功率点附近工作，并且当光照强度或者环境温度发生变换时，并不能进行实时跟踪控制。开路电压法是利用太阳能电池工作在最大功率点附近时的工作电压与开路电压的线性近似关系特性进行的相应控制，其控制稳定性好，不易振荡，当外界环境剧烈变化时能快速响应。在控制上也无需任何的DSP即可实现，大大降低了成本，基本上能满足MPPT的要求，特别适用于低成本的小功率光伏系统。但是传统的开路电压法在追踪过程中因要获取开路电压需中断系统正常工作进行开路电压的测量，势必会造成暂时的功率损耗。另外，常规模糊控制、神经网络控制等对硬件要求较高，控制系统较为复杂，还存在着一定的局限。

技术实现要素：
有鉴于此，本发明公开了一种小功率穿戴式光伏系统的MPPT控制系统及方法，该系统及方法能够保证控制系统简单易行、稳定可靠的基础上，尽量避免控制过程中对系统运行带来的干扰，实现能量收集的最大化。实现本发明的具体技术方案如下：一种小功率穿戴式光伏系统的MPPT控制系统，该系统包括太阳能电池、滤波电容C1、DC-DC变换单元、开路电压采样单元、工作电压采样单元、MCU处理器、滤波电容C3及储能单元；所述开路电压采样单元包括MOSFET开关管Q2、采样电阻R1和采样电阻R2；所述工作电压采样单元包括采样电阻R3和采样电阻R4；所述太阳能电池的正极与滤波电容C1的正极相连,C1的负极接地；滤波电容C1的正极与DC-DC变换单元输入端正极相连，滤波电容C1的负极与DC-DC变换单元输入端负极相连，滤波电容C3及储能单元依次并联于DC-DC变换单元的输出端与地之间，储能单元的正极与滤波电容C3的正极连接，储能单元的负极接地；MOSFET开关管Q2的漏极与地相连，MOSFET开关管Q2的源极与太阳能电池板的负极连接，采样电阻R1的一端与太阳能电池板的正极连接，另一端与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端接地，采样电阻R3的一端与太阳能电池板的正极连接，另一端与采样电阻R4相连，采样电阻R4的另一端接地；MCU处理器的输入端分别连接采样电阻R1与采样电阻R2的公共端和采样电阻R3与采样电阻R4的公共端，MCU处理器的输出端PWM1与DC-DC变换单元的控制端连接，MCU处理器的输出端PWM2与开关管Q2的栅极连接；MCU处理器用于根据开路电压采样电路采集的太阳能电池的开路电压和工作电压采样电路采集的太阳能电池输出电压，按照最大功率点处的输出电压为0.8倍开路电压的近似原则，生成相应的控制信号控制开路电压采样电路和DC-DC变换单元，实现对太阳能输出电压的控制。进一步地，所述DC-DC变换单元采用sepic升降压变换电路、buck-boost升降压变换电路、buck降压电路、boost升压电路、CUK升降压变换电路或zeta升降变换电路。进一步地，所述储能单元为超级电容器或蓄电池。一种小功率穿戴式光伏系统的MPPT控制方法，实现该方法的具体步骤如下:步骤一、通过开路电压采样单元和工作电压采样单元采样测量获得太阳能电池的开路电压Uoc和输出电压Vpv；步骤二、基于最大功率点处的输出电压Um约为0.8Uoc的近似比例关系进行控制，调整DC-DC变换单元的占空比，改变太阳能电池的输出电压Vpv，使输出电压Vpv工作在最大功率点附近；步骤三、通过工作电压采样单元采样测量获得太阳能电池连续两次的输出电压Vpv1和Vpv2；步骤四、对基于步骤三获得的太阳能电池前后两次的输出电压Vpv1和Vpv2进行比较；如果前后两次采样的电压的差值小于电压Q，Q为实数，则返回步骤三，如果前后两次采样的电压的差值大于电压Q，则进行步骤五；步骤五、开路电压采样单元的开关管Q2断开，在采样频率为M的条件下采样测量获得太阳能电池的开路电压Uoc；步骤六、基于最大功率点处的电压Um约为0.8Uoc的近似比例关系进行控制，调整DC-DC变换单元的占空比，改变太阳能电池的输出电压。进一步地，所述电压Q为0.1V。进一步地，采样频率M为100Hz。进一步地，所述DC-DC变换单元的采用sepic升降压变换电路、buck-boost升降压变换电路、buck降压电路、boost升压电路、CUK升降压变换电路或zeta升降变换电路。有益效果：(1)本发明提供的MPPT控制方法对开路电压的采样采用基于事件驱动的思想，只在系统的输出电压发生波动时对太阳能电池的开路电压进行采样，避免了系统稳态时开路电压采样对系统运行带来的干扰，提高了能量转换效率；(2)本发明提供的MPPT控制方法及系统简单可靠，在小功率光伏系统中有广阔的应用前景。(3)本发明的思路是将适合应用于小功率系统中的开路电压MPPT控制方法与事件驱动的思想相结合，根据太阳能电池输出电压的波动情况来判断是否对其开路电压进行采样；减少现有技术实施过程中开路电压采样时对系统正常运行带来的干扰，从而提高系统的发电效率。附图说明图1为本发明所提供的MPPT控制方法的硬件实现电路图；图2为本发明所提供的MPPT控制方法的流程图。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。如图1所示，MPPT控制方法的硬件实现电路图，包括太阳能电池、滤波电容C1、DC-DC变换单元、开路电压采样单元、工作电压采样单元、MCU处理器、滤波电容C3及储能单元，所述DC-DC变换单元包括功率电感L1、L2，MOSFET开关管Q1，电容C2以及肖特基二极管D1；所述工作电压采样单元包括采样电阻R3、R4，所述开路电压采样单元包括MOSFET开关管Q2、采样电阻R1、R2。所述太阳能电池的正极与滤波电容C1的正极相连；电感L1的一端与太阳能电池的正极相连，另一端均与开关管Q1的漏极和电容C2的正极相连，开关管Q1的源极与地相连，电感L2的一端与地连接，另一端均与电容C2的负极和二极管D1的正极连接；滤波电容C3的正极与二极管D1的负极相连，负极接地；所述储能单元包括超级电容器，超级电容器的正极与滤波电容C3的正极连接，负极接地；开关管Q2的漏极与地相连，开关管Q2的源极与太阳能电池板的负极连接，采样电阻R1的一端与太阳能电池板的正极连接，另一端与采样电阻R2相连，采样电阻R2的另一端接地；R3的一端与太阳能电池板的正极连接，另一端与R4相连，R4的另一端接地；MCU处理器输入端分别接开路电压采样单元R1与R2的公共端以及工作电压采样单元R3与R4的公共端，MCU处理器的输出端PWM1与DC-DC变换单元的控制端连接，MCU处理器的输出端PWM2与开关管Q2的栅极连接；MCU处理器用于根据开路电压采样电路采集的太阳能电池的开路电压和工作电压采样电路采集的太阳能电池输出电压，按照最大功率点处的输出电压为0.8倍开路电压的近似原则，生成相应的控制信号控制开路电压采样电路和DC-DC变换单元，实现对太阳能输出电压的控制。本发明所提供的MPPT控制方法是将适合应用于小功率系统中的开路电压MPPT控制方法与事件驱动的思想相结合，根据太阳能电池输出电压的波动情况来判断是否对其开路电压进行采样；减少现有技术实施过程中开路电压采样时对系统正常运行带来的干扰，从而提高系统的发电效率。流程图如图2所示，具体步骤如下：步骤一：通过开路电压采样单元和工作电压采样单元采样测量获得太阳能电池的开路电压Uoc和输出电压Vpv；步骤二：基于最大功率点处的电压Um约为0.8Uoc的近似比例关系进行控制，调整DC-DC变换单元的占空比，改变太阳能电池的输出电压Vpv，使输出电压Vpv工作在最大功率点附近；步骤三：PWM2输出低电平，关闭开路电压采样开关；采样测量获得太阳能电池连续两次的工作电压Vpv1和Vpv2；采样频率100Hz。步骤四：比较采样获得的太阳能电池前后两次的输出电压Vpv1和Vpv2；如果Vpv1和Vpv2差值小于0.1V，则认为外界条件没有发生变化，太阳能电池工作在最大功率点附近的稳定状态，返回步骤三继续对太阳能电池的工作状态进行监测，如果Vpv1和Vpv2的差值大于Q，Q＝0.1V，则认为外界条件发生变化，太阳能的输出功率偏离最大功率，进行步骤五；步骤五：PWM2输出频率10Hz，占空比为1％的控制信号，开启开路电压采样开关，采样测量获得太阳能电池的开路电压Uoc；采样频率10Hz；步骤六：比较Uoc与Vpv2的关系，按照Um＝0.8Uoc的近似比例关系进行控制，调整DC-DC变换单元的控制信号PWM1的占空比，改变太阳能电池的输出电压，使其在外界条件发生改变时，及时进行相应调整，继续工作在最大功率点附近。表1为本发明所提供的MPPT控制方法与传统开路电压法转化效率的对比。表1通过表1可见，本发明所提供的MPPT方法转化效率比传统开路电压转化效率至少提高了10.52％。综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。