一种宽范围输入的户外光储LED高功率密度变换方法与流程

本发明涉及太阳能led照明技术领域，具体为一种宽范围输入的户外光储led高功率密度变换方法。

背景技术：

扰动观察法是目前最常使用的mppt算法之一，其工作过程是周期性地扰动太阳能电池的输出电压(v+v)，然后与扰动之前的输出功率对比，如功率值在不断增加，就表示扰动方向与控制方向一致，继续朝着相同方向(+v)变化；若功率值反而在减小，就往反方向(—v)变化，这样反复的扰动就会输出其最大功率值。

扰动观察法是每隔一段时间改变其电压值，其下一步的控制信号是由输出功率改变的方向来判断的。具体调整方案如下:u、i表示上一次的值，相应的输出功率是p,、表示当前值，是其功率。当增加相对的参考电压时，有两种现象:(1)p1>p表示变化方向正确，系统扰动方向继续保持不变；(2)p1<p表示变化方向不对，系统下一步的扰动方向就要改变。这样重复循环，当工作点靠近最大功率值时停止扰动。扰动观察法最主要的不足是u步长固定。如果u太大，在最大功率点周边就会出现特别严重的振荡，也有很大的功率损失；如果△u太小，就需要特别长的时间才能跟踪到最大功率点，从而给实际生活中带来了极大的不便。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种宽范围输入的户外光储led高功率密度变换方法，采用基于传统扰动观察改进的控制方法，根据太阳能电池的i-v特性，把每次的增量均转为下一次实际逼近控制电压的步长，来防止过度控制，组件稳态期间也减少频繁的扰动；同时，通过设置的dc-dc变换器具有结构简单、只需少量开关器件以及低损耗的优点，并且电池两端的输出使用了lcl滤波器，可以更好的降低电池侧的纹波电流与纹波电压，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种宽范围输入的户外光储led高功率密度变换方法，包括mppt功能的充电部分和led恒流驱动部分,其mppt功能的充电部分和led恒流驱动部分受控于buck-boost型的双向主电路设计的同步整流dc-dc变换器和基于mppt原理改进的pid控制方法；其双向主电路设计如下：包括led端、pv端、battery端、电容及其相互串联或并联的驱动开关q1、q2、q3、q4、q5，并设置有3种工作方式：

（1）buck工作，电感电流il一直保持大于零，q1工作q2不工作，由pv端流至battery端,il不断增加直至t=ton时，q1截止，d2续流工作，q2无电流通过；

（2）boost工作，电感电流il一直保持小于零，由battery端流向led端，在ton到t时，q2工作q1不工作，il不断增加，当达到t时刻时，q2截止停止工作，d1续流工作，q1无电流通过；

（3）交替工作，电感电流il正负交替出现:在t0-t1时刻，q1导通工作，在t1-ton时刻，q1导通同时有电流通过，d2续流，il会不断变小且值依然大于零；在ton-t时刻，q2导通且有电流流过，il不断上升但值小于零。

其基于mppt原理改进的pid控制方法如下：

s1：输入给定量r，并将r值设定为零；

s2：设定pid控制器的输入量，即系统偏差量负的dp/du；

s3：pid控制器调节dc-dc变换器pwm波的占空比来改变光伏电池的输出等效负载，实现最大功率点跟踪。

优选的，基于buck-boost型的双向主电路的工作模式设置有两种，即降压模式和升压模式；其降压模式为能量由pv流动到battery时，电源端为pv端，q1驱动，q3、q4打开，q5关闭，组成buck降压电路；升压模式为由battery流动到led时，电源端是battery，此时q2驱动，q3、q5打开，q4关闭，组成boost升压电路。

优选的，mppt功能的充电部分包括mppt充电模式、恒压均充模式、恒压浮充模式、等待模式、准备放电模式和准备充电模式。

优选的，led恒流驱动部分包括第一时间段恒流驱动模式、第二时间段恒流驱动模式和第三时间段恒流驱动模式。

优选的，dc-dc变换器正向运行时，充电环路采用buck型拓扑结构，对蓄电池进行mppt、恒压、恒流相结合的三阶段充电方法；当dc-dc变换器反向运行时，放电环路采用boost型拓扑结构，实现led灯的恒压输出，并具有pwm调光功能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本宽范围输入的户外光储led高功率密度变换装设计方法，采用基于传统扰动观察改进的控制方法，根据太阳能电池的i-v特性，把每次的增量均转为下一次实际逼近控制电压的步长，来防止过度控制，组件稳态期间也减少频繁的扰动；同时，通过设置的dc-dc变换器具有结构简单、只需少量开关器件以及低损耗的优点，并且电池两端的输出使用了lcl滤波器，可以更好的降低电池侧的纹波电流与纹波电压，实现了led灯的恒压输出，并具有pwm调光功能。

附图说明

图1为本发明的程序设计流程图；

图2为本发明基于mppt原理改进的pid控制原理图；

图3为本发明pid控制的结构框图；

图4为本发明光伏电池输出p-u曲线；

图5为本发明双向buck-boost变换器基本原理图；

图6为本发明buck-boost变换器三种工作方式下的电感电流波形图；

图7为本发明光伏阵列等效电路图；

图8为本发明光伏阵列仿真模型图；

图9为本发明光伏阵列输出u-i特性曲线图；

图10为本发明光伏阵列输出u-p特性曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-10，本发明提供一种技术方案：一种宽范围输入的户外光储led高功率密度变换方法，包括mppt功能的充电部分和led恒流驱动部分,mppt功能的充电部分包括mppt充电模式、恒压均充模式、恒压浮充模式、等待模式、准备放电模式和准备充电模式；mppt充电模式为当有一定辐照度，太阳能电池板电压输出大于某值(12v系统14v，24v系统28v)时，如果蓄电池电压小于恒压均充电压，控制器会对太阳能电池板进行mppt跟踪，向蓄电池以最大功率充电；恒压均充模式为当有一定辐照度，太阳能电池板正常时，蓄电池电压达到恒压均充电压，控制器会放弃mppt跟踪，而对蓄电池进行恒压均充，以便保护蓄电池；恒压浮充模式为当有一定辐照度，太阳能电池板正常时，蓄电池电压达到恒压均充电压，充电电流减小到0.5a,控制器会放弃恒压均充，而对蓄电池进行恒压浮充，以便保护蓄电池；等待模式为黄昏时，光的辐照度越来越弱，太阳能板输出电压小于某值(12v系统对应14v，24v系统对应28v)，提供的能量无法向蓄电池充电，控制器放弃充电，而进入等待模式；准备放电模式为当太阳能电池板电压低于某值(12v系统对应6v，24v系统对应12v，用户可以设置此参数)，进入准备放电模式，确认30s,进入恒流驱动模式；准备充电模式为黎明时，光照越来越强，当太阳能电池板输出电压大于某值(12v系统对应12v，24v系统对应24v)，延时30s后，停止恒流驱动led，进入准备充电模式；其led恒流驱动部分包括第一时间段恒流驱动模式，即进入恒流驱动led的第一时间段，led驱动电流缓慢的改变，最终达到第一时间段百分比驱动电流、第二时间段恒流驱动模式即当完成第一时间段恒流驱动后，自动进入第二时间段，led亮度缓慢的改变，最终达到第二时间段百分比驱动电流，第三时间段恒流驱动模式即当完成第二时间段恒流驱动后，自动进入第三时间段，led亮度缓慢的改变，最终达到第三时间段百分比驱动电流；其mppt功能的充电部分和led恒流驱动部分受控于buck-boost型的双向主电路设计的同步整流dc-dc变换器和基于mppt原理改进的pid控制方法；dc-dc变换器正向运行时，充电环路采用buck型拓扑结构，对蓄电池进行mppt、恒压、恒流相结合的三阶段充电方法；当dc-dc变换器反向运行时，放电环路采用boost型拓扑结构，实现led灯的恒压输出，并具有pwm调光功能，其双向主电路设计如下：包括led端、pv端、battery端、电容及其相互串联或并联的驱动开关q1、q2、q3、q4、q5，其工作模式设置有两种，即降压模式和升压模式；其降压模式为能量由pv流动到battery时，电源端为pv端，q1驱动，q3、q4打开，q5关闭，组成buck降压电路；升压模式为由battery流动到led时，电源端是battery，此时q2驱动，q3、q5打开，q4关闭，组成boost升压电路，并设置有3种工作方式：

（1）buck工作，电感电流il一直保持大于零，q1工作q2不工作，由pv端流至battery端,il不断增加直至t=ton时，q1截止，d2续流工作，q2无电流通过；

（2）boost工作，电感电流il一直保持小于零，由battery端流向led端，在ton到t时，q2工作q1不工作，il不断增加，当达到t时刻时，q2截止停止工作，d1续流工作，q1无电流通过；

（3）交替工作，电感电流il正负交替出现:在t0-t1时刻，q1导通工作，在t1-ton时刻，q1导通同时有电流通过，d2续流，il会不断变小且值依然大于零；在ton-t时刻，q2导通且有电流流过，il不断上升但值小于零。

其基于mppt原理改进的pid控制方法如下：

从附图中可以看出：光伏电池的最大功率点（mpp），就是曲线上对应斜率为零的点，而且这样点是唯一的；在最大功率点两侧，对应工作点的斜率绝对值大小，与当前工作点离最大功率点距离成正相关；由此，可以将太阳能光伏电池阵列的输出反馈到输入端，而输入给定量r设定为零，将其系统偏差量，即负的作为pid控制器的输入；因而pid控制，能够根据光伏电池工作点当前在p-u曲线上的位置，不断的调节dc-dc变换器pwm波的占空比大小，来改变光伏电池的输出等效负载，从而调整光伏电池的输出电压，直到光伏电池输出电压工作在最大功率点对应的电压处，实现最大功率点跟踪。

实施例一：

太阳能电池的数学物理模型：现实中，当接上负载的太阳能电池受到光照的时，光生电流经过负载，会在负载两端形成端电压，此时太阳能电池的电路工作过程可用图所示的等效电路来表示；图中把太阳能电池看成能产生稳定光电流的电流源（光源稳定）；在图中，为太阳能电池的串联电阻，它主要由太阳能电池的体电阻、太阳能电池表面电阻、太阳能电池电极导体电阻及电极与桂表面的接触电阻所组成，为光伏电池旁漏电阻，也称作跨接电阻，它是由于硅片边缘不清洁或体内的缺陷导致的；二极管流过的正向电流通过结的总扩散电流和旁路电流都是提供的，剩下的光生电流经过，从太阳能电池流出而进入负载；根据光伏阵列的特性，其工作方式可以用图7所示的电路来等效；

图8中isc表示光伏阵列的激发电流，由光照强度、温度等因素共同决定，且光照强度越强，isc越大。ivd代表光伏阵列的扩散电流，其大小可由公式（7）求得

(7)

式中q——电子电荷；

a——常数因子；

k——玻尔兹曼常数。

ido表示光伏阵列在没有光照时的饱和电流，其大小可由公式（8）求得

(8)

式中a——光伏组件pn结面积；

eg——材料的带隙；

nv、nc——价带和导带的有效态密度；

nd、na——施主杂质和受主杂质的密度；

dp、dn——空穴和电子的扩散系数；

、——空穴和电子的少子寿命。

根据图8的等效电路，可以求得负载电流il为

(2-3)

式中rs——旁路电阻；

rsh——旁漏电组。

根据光伏阵列的数学模型和等效电路在matlab/simulink建立模型如图8所示。

其中tc为外界的温度，s为太阳光照强度，本文在matlab/simulink取，s=500w/m²。改变光伏阵列pv两端的负载值，得到pv相对应的输出电压u和电流i的值，将上述多组数据拟合可得u-i特性曲线如图9所示，u-p特性曲线如图10所示；通过上位机将上述数据写入光伏模拟器，来模拟光伏阵列的输出特性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。