本发明涉及光伏MPPT快速跟踪技术领域，更具体地说，涉及一种光伏MPPT控制电路及基于电压-功率扫描的光伏多峰MPP快速跟踪方法。
背景技术：
单个光伏电池单元的输出电压很低，在实际应用中必须将多个电池单元进行串并联后提高最终输出电压和功率使其满足现场用电器或逆变器输入要求。几个相同的光伏电池单元串联后，当光照和温度都一样时，串联电池组输出功率只有一个峰值点，常规的爬山法、扰动观察法和导纳增量法均能较好地实现MPPT，提高发电效率。但是，如果遇到丛云、树木、设备或其他结构的阴影或模块表面积聚的灰尘、树叶或杂物等导致的局部阴影时，每个光伏电池单元的输出特性不再一致，串联后的电路输出通常会有多个峰值点，但只有一个峰值点为全局最大功率点。处于局部阴影中的集中式系统整体输出功率能力严重下降，假如串联中某个电池发生故障，有时会导致整个电池组失效。此时，如采用常规的MPPT方法容易陷入某一局部功率极值点，而无法及时跟踪到全局最大功率点。
现有的对光伏功率输出呈多峰值特征的最大功率跟踪方法以下几种方案。一种是通过增加硬件补偿电路改变P-V多峰性质，使得多峰光伏系统输出呈现单峰特性，再用常规的MPPT方法进行跟踪。第二种是采用基于模糊算法、粒子群算法、神经网络等智能控制方法，在光伏系统多峰值输出下比常规算法有更好的快速性和准确性。第一种方法，补偿电路的加入会使系统结构更复杂，导致成本大幅增加。第二种方法存在参数设置复杂，通常只能依靠经验，可移植性比较差，工程较难实现等不足。
经检索，现有技术中也有较多实现最大功率跟踪的方案，如中国专利申请号201710106511.5，申请日为2017年2月27日，发明创造名称为：一种基于改进电导增量法的光伏逆变器多峰值MPPT方法；该申请案通过把光伏方阵信息作为逆变器控制参数，实现阴影实时监测，准确有效判断阴影变化，采用分段定步长点到增量法作为全局最大功率点扫描算法进行最大功率初步扫描，完成初步扫描后采用分段变步长电导增量法对全局最大功率进行精确跟踪。该申请案能避免无阴影时功率波动对全局最大功率点扫描算法的触发，能够提高扫描效率。但该申请案存在参数设置复杂，通常只能依靠经验的不足，在应用上仍需进一步改进。
技术实现要素：
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供了一种光伏MPPT控制电路及基于电压-功率扫描的光伏多峰MPP快速跟踪方法，利用本发明提供的技术方案，能有效排除局部功率峰值的干扰，实现在局部阴影复杂环境下，对全局最大功率点的有效识别与跟踪锁定。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种光伏MPPT控制电路，包括光伏电源与电压扫描电路、开关变换电路和负载，其中，所述的光伏电源与电压扫描电路包括多个串并联光伏面板，光伏面板输出端并联电容C1，在光伏面板输出端与电容C1之间串联电流表IS和开关K1，电容C1上并联电压表VS1；电容C1与开关变换电路输入端之间设置开关K2，所述的开关变换电路输出端连接负载，负载上并联电压表VS2。
更进一步地，所述的开关变换电路为降压BUCK、升压BOOST、升降压BUCK-BOOST或CUK开关变换电路。
更进一步地，所述的开关变换电路采用CUK电路，该CUK电路包含开关管Q、输入端电感L1、输出端电感L2、输入输出耦合电容C2、续流二极管D5、D6和二极管D7，续流二极管D5的正极接地，负极接输入端电感L1；二极管D7的正极接续流二极管D6的负极，二极管D7的负极连接负载输入端。
本发明的一种基于电压-功率扫描的光伏多峰MPP快速跟踪方法，包括四个控制阶段，具体为：扫描准备阶段、电压扫描阶段、PWM准备阶段和PWM控制阶段，其中：
1)Step1扫描准备阶段：此阶段控制K1断开，C1脱离光伏电源；K2闭合，开关管Q导通，C1通过L1和Q放电至0V，此阶段结束；若C1未充电，则此阶段直接跳过；
2)Step2电压扫描阶段：此阶段控制K1闭合，K2断开，光伏电源只与C1相连，CUK变换电路被隔离，C1电压被光伏电源从0V充至接近光伏电源的开路电压UOC，采集光伏电源输出端电压、电流，并且通过电压和电流信号计算出瞬时功率；
3)Step3PWM准备阶段：此阶段控制K1和K2一直闭合，Q交替通断，Q的通断通过uC1与包含ubest的一个窗口电压(ubest-A,ubest+B)进行比较确定，当高于窗口电压上限时使Q导通，Q导通后会使uC1下降，降到窗口电压下限时再使Q关断，Q关断后uC1会缓慢止降回升，如此往复数次使C2、L1和L2的储能不断上升，到光伏的平均功率接近Pmax时，此阶段结束；
4)Step4PWM阶段：此阶段控制K1和K2一直处于闭合状态，通过Q的通断控制使C1两端电压始终保持在ubest附近，光伏电源工作在最大功率点；当检测到某一时段的平均功率偏离Pmax一定量时，重新搜索最大功率点，重复Step1—Step4的过程。
更进一步地，控制过程中对采样的电压电流求积计算出瞬时功率先经过滤波处理，将其与前面单位时间内的平均功率进行比较，如果未超差将该值参与对运算生成新的否则丢弃该值。
更进一步地，Step2电压扫描阶段，在扫描过程中不断通过滤波产生新的并用其与Pmax比较，如果大于Pmax，则用更新Pmax，并将uC1值更新ubest；该扫描过程起点电压为0V，扫描电压结束值定为0.95UOC，该过程结束时可得到全局最大功率Pmax和其对应的电压ubest。
更进一步地，Q的通断通过uC1与窗口电压(0.95ubest,1.05ubest)进行比较确定。
更进一步地，当检测到或大于0.9Pmax则重启算法搜索新的全局最大功率点。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种基于电压-功率扫描的光伏多峰MPP快速跟踪方法，对光伏输出的电压功率特性曲线进行全局的了解，锁定当前环境下光伏的最大功率点，在控制之前先采集当前环境下功率相对于电压变化的功率曲线，能有限排除局部功率峰值的干扰，实现在局部阴影复杂环境下，对全局最大功率点的有效识别与跟踪锁定；
(2)本发明的一种基于电压-功率扫描的光伏多峰MPP快速跟踪方法，控制流程中对采样的电压电流求积计算出瞬时功率先经过滤波处理，将其与前面单位时间内的平均功率进行比较，来更新平均功率能够防止外部干扰和内部噪声对控制流程正确运行的影响；
(3)本发明的一种基于电压-功率扫描的光伏多峰MPP快速跟踪方法，在电压扫描阶段将扫描电压结束值定在0.95UOC，既能保证覆盖了全局最大功率点的分布范围，又大幅缩减了扫描过程的耗时；
(4)本发明的一种基于电压-功率扫描的光伏多峰MPP快速跟踪方法，在PWM阶段设置了一个电压窗口(0.95ubest,1.05ubest)，uC1高于窗口上限电压时控制Q打开，低于窗口下限电压时控制Q关断，如此即保持了较低的开关损耗又使光伏工作点稳定在ubest附近，实现全局最大功率点的锁定；
(5)本发明的一种光伏MPPT控制电路，结构设计简单，便于实现，与基于电压-功率扫描的光伏多峰MPP快速跟踪方法结合，具有很强的实用性。
附图说明
图1为本发明的一种光伏MPPT端口电压扫描主电路拓扑示意图；
图2-图5为本发明中端口电压扫描主电路不同时段工作元件示意图；
图6为本发明中各工作状态时关键信号波形图；
图7为本发明中主控制流程图；
图8为本发明中电压扫描阶段的控制流程图；
图9为本发明中PWM阶段的控制流程图；
图10为本发明建立的仿真模型示意图；
图11为本发明的仿真波形图；
图12中的(a)和(b)为本发明的光照强度变化时的电压、功率和电流波形。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
由于当前不论是单峰或多峰状态下的光伏MPPT技术都将光伏电源看成一个“黑箱”，在负载状态下使用改变开关变换器的占空比等方法扰动光伏输出端电压从而改变光伏面板的输出功率，再根据功率的变化情况来决定下一步占空比是否调整和如何调整。该类方法由于是带负载扰动，而负载电路中存在大量的电容和电感储能元件，在这些储能元件的作用下，使扰动作用滞后，如果延时设置不当将得不到正确信号，系统也无法获得最大功率点。同时，由于需要多次扰动且每次扰动后调整时间较长会降低光伏电源的能源利用率。这些方法对于控制要求比较简单的单峰状态的MPPT尚能满足要求，若在多峰状态下就如同“盲人摸象”效果很难让人满意。导致以上问题的根本原因就是控制者对光伏输出的电压功率特性曲线没有全局的了解，无法锁定当前环境下光伏的最大功率点。基于以上分析，要解决以上问题必须在控制之前采集到当前环境下功率相对于电压变化的功率曲线。本发明称该过程为光伏输出端口电压功率扫描，简称端口电压扫描。为了减少端口扫描过程中的功率损失，要求扫描过程的时间在满足采样定理的前提下尽可能短且尽量减少信号失真。
实施例1
本实施例的一种光伏MPPT控制电路如图1所示，Ⅰ为光伏电源与电压扫描电路，包含若干串并联光伏面板、并联于光伏输出端的电容C1、用于切换电路连接关系的开关K1和K2、测量输出端电压与电流的仪表VS1和IS。Ⅱ为开关变换电路，所述的开关变换电路可以是降压BUCK、升压BOOST或升降压BUCK-BOOST或CUK开关变换电路，本实施例选择CUK电路。Ⅲ为负载，所述负载可以是蓄电池、直流用电器或逆变器的一种或多种组合。本实施例选用升降压电路CUK是因为此电路针对独立式光伏系统，它的直接负载是大容量的铅酸蓄电池B1和B2。由于光照强时最大功率点对应的电压较高，此时需要降压给蓄电池充电；而光照弱时最大功率点对应的电压就低，可能低于畜电池充电电压，此时就需要升压充电。CUK电路包含开关管Q、输入端电感L1和输出端电感L2、输入输出耦合电容C2、续流二极管D6。此外，为了防止K2断开时L1的电流突变引起过电压对电路造成危害，设置续流二极管D5；为防止蓄电池反向放电在CUK电路的基础上增加了二极管D7，以及测量蓄电池端电压的电压表VS2。
本实施例的电路实现快速MPPT的工作过程共有四个：分别是扫描准备阶段、电压扫描阶段、PWM准备阶段、PWM控制阶段。结合图2-图6，四个工作过程的具体说明如下：
1)Step1扫描准备阶段(图6中t0-t1时段)：该时段处于激活状态的如图2所示，未起作用的元件和线路用虚线表示(下同)。此时控制K1断开，C1脱离光伏电源；K2闭合，Q导通，C1通过L1和Q放电至0V，此阶段结束。若C1未充电，则此过程直接跳过。
此阶段光伏陈列处于开路状态，能量不能传输到负载端，因此为了提高总体能量转化效率，此过程应尽量耗时短。该阶段是为下一步扫描电压功率曲线作准备，因此其主要目标是使C1放电，实现该目标的回路为loop1，在理想状态下，由于loop1回路中C1、L1的等效串联电阻及Q的通态电阻很小，可以忽略。因此，该回路实质为C1和L1组成的串联二阶零输入响应电路，放电时间由C1电容量C1、L1电感量L1及t0时该C1的初始电压uc1(t0)，L1的初始电流iL1(t0)四个主要因素决定，且应满足以下关系(以下各式中同一元件上仅在图1中标出电压或电流的参考方向，未标参考方向的电压电流参考方向按与已标量成关联参考关系来确定，下同)：
KVL：-uc1+uL1＝0
KCL：i(t)＝-ic1(t)＝iL1(t)
综合上式可得：
该二阶电路的特征方程为：
L1C1S2+1＝0
特征根为一对共轭纯虚根：
根据t0时该C1的初始电压为uc1(t0)，L1的初始电流为iL1(t0)，可得：
则C1电压由初始值下降为零所需时间应为：
2)Step2电压扫描阶段(图6中t1-t2时段)：该时段处于激活状态的如图3所示，控制K1闭合，K2断开，光伏电源只与C1相连，CUK变换电路被隔离。C1电压被光伏电源从0V充至接近光伏电源的开路电压UOC。该过程必须通过传感器或仪表将光伏电源输出端电压、电流准确采集，并且将电压和电流信号通过硬件或软件计算出瞬时功率。通过该过程光伏电源的电压功率曲线就被扫描出来，理论上最大功率点Pmax及其对应的电压ubest也将被计算出来了。因此，准确测量和记录这一过程中的数据是实现快速MPPT的关键。
但是，由于此过程光伏陈列绝大部分时间未工作在最大功率点，所以其持续时间在满足AD采样时间的基础上也应尽量耗时短，其值由回路loop3决定，该回路存在以下关系：
KVL：uPV-uC1＝0
KCL：i(t)＝iPV＝iC1
结合上式可得
可知耗时长短与iPV及C1电容量有关，而iPV又取决于其所处环境的光照、温度等因素。为了定性分析它们之间的关系，以标准温度条件下，光照分布S2为例进行分析计算。由表1可知该条件下光伏输出电流分成四个区域，每一区域都存在一个拐点，拐点前电流接近常数，拐点后急骤减小至下一区域的稳定电流。为简化分析计算，将拐点前的电流视为一常数，而拐点后的曲线看作一条直线，如此得到八个不同的区间，各区间的电流如表2所示。
表1光照强度分布为S2时各工作区域特性
表2光照强度分布为S2时各工作区间的近似电流及平均电流
在表2的八个区间分别进行积分后可得：
3)Step3PWM准备阶段(图6中的t2-t5时段)：上一阶段结束后，只有C1是充满电的状态，C2、L1和L2等储能元件都处在无储能或少量储能的状态，CUK进入稳态前必须经过一个过渡的暂态过程。该过程中控制K1和K2一直闭合，Q交替通断，Q的通断控制理想目标是使uC1始终等于ubest。但是，伴随着C1不断与外界交换能量uC1也在动态变化，因此该理想状态很难实现，我们只能退而求其次使uC1在ubest附近波动。因此Q的通断可以通过uC1与包含ubest的一个窗口电压(ubest-A,ubest+B)进行比较确定，当高于此窗口电压上限时使Q导通，Q导通后会使uC1下降，降到窗口电压下限时再使Q关断，Q关断后uC1会缓慢止降回升，如此往复数次使C2、L1和L2的储能不断上升，到某时段光伏的平均功率接近Pmax时，此阶段结束。
4)Step4PWM阶段(图6中的t5-t7时段)：CUK电路进入稳态工作状态，此时控制K1和K2仍一直处于闭合状态，通过Q的通断控制使C1两端电压始终保持在ubest附近，光伏电源工作在最大功率点。当检测到某一时段的平均功率偏离Pmax一定量时，则表示外界环境发生变化，需要重新搜索最大功率点，因此重试Step1—Step4的过程。
PWM准备及PWM两个时段的通态过程和断态过程处于激活状态元件分别如图4和图5所示。CUK电路的输出电压与输入电压的变比公式如下，其中D为开关管Q的控制脉冲占空比：
结合图7，本实施例的主控制流程主要是通过不同条件判断来选择Step1-Step4四个子程序，来完成前述不同阶段的控制目标。首先，进行系统初始化，然后根据uC1是否为0进行分支选择。uC1不为0则执行step1子程序，对C1进行快速放电；uC1为0则跳过Step1直接进入Step2子程序。Step2结束后再依次进入PWM准备阶段子程序Step3和PWM阶段子程序Step4。当环境发生变化后，检测到小于0.9Pmax或大于1.1Pmax则重启算法搜索新的全局最大功率点。
为了防止外部干扰和内部噪声对控制流程正确运行的影响，并且考虑到现实环境变化的连续性决定了光伏输出功率也不可能突变，控制流程中对采样的电压电流求积计算出瞬时功率先经过滤波处理，将其与前面单位时间内(时间由具体的电路参数和采样时间来确定)的平均功率进行比较，如果差的绝对值未超过将该值参与累加后求平均值的运算生成新的否则丢弃该值。
Step2子程序的流程如图8所示，由前述分析可知，该阶段目标是扫描光伏功率曲线，同时筛选出全局最大功率点Pmax及其所对应的电压ubest。在扫描过程中不断将通过滤波产生新的并用其与Pmax比较，如果大于Pmax，则用更新Pmax，并将uC1值更新ubest。该扫描过程起点电压为0V，从表2可以看出，由于电流很小uC1在最后一个区间的上升时间占总耗时约40％，但全局最大功率出现在该区域的后半部分概率接近0。因此，算法将扫描电压结束值定在0.95UOC，既能保证覆盖了全局最大功率点的分布范围，又大幅缩减了扫描过程的耗时。
在PWM阶段的控制流程如图9所示，该阶段的目标是将光伏输出电压即uC1锁定在ubest，与PWM准备阶段一样，同样面临前uC1是在动态调整的，如直接用uC1与ubest比较结果作为控制开关管Q的信号，会使开关频率过高，开关损耗上升。因此，本实施例设置了一个电压窗口(0.95ubest,1.05ubest)，uC1高于窗口上限电压时控制Q打开，低于窗口下限电压时控制Q关断。如此即能保持较低的开关损耗又能使光伏工作点稳定在ubest附近，实现全局最大功率点的锁定。
为验证本实施例的可行性，在Matlab软件中建立仿真模型如图10所示，模型中将PV1的光照强度值设置固定为1000，PV2与PV3的光照强度相同且可调，设为变量Ir2，PV4的光照强度也可调，设为变量Ir3。设置在仿真开始后(0～1ms)，(1～2ms)，(2～3ms)时域内Ir2和Ir3的值分别为(1000,500)，(500,250)，(750,500)。通过光伏输出功率的波形图11可知，本实施例能在光照强度发生变化后的0.5ms内发现并快速进行全局扫描找到最大功率点，且能将系统工作点稳定的锁定在全局最大功率点附近。
为验证设计电路和算法的工作性能，制作了一台光伏最大功率点追踪试验装置，主要参数如下：
表3试验装置主要参数
使用四个独立可调光源照射光伏面板，模拟自然条件下光照强度发生变化，产生局部阴影来检验系统工作性能，图12中的(a)为光照强度由强变弱时光伏输出端的电压、功率及电流波形，图12中的(b)为光照强度由弱变强时的对应波形。Δt1为光照发生变化到启动算法的延时时间；Δt2为算法生效至追踪并锁定到全局最大功率点且达到稳态的时间。从图中可以看出不论光照由强变弱还是由弱变强，算法的调整总时间Δt1+Δt1均小于1ms，反应敏捷。从功率波形可以看出跟踪到的功率点与仿真所得的最大功率点比较接近，说明本实施例能有限排除局部功率峰值的干扰，实现在局部阴影复杂环境下，对全局最大功率点的有效识别与跟踪锁定。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。