一种光伏电池最大功率点快速跟踪控制方法及装置与流程

本发明涉及新能源发电技术领域，特别是一种光伏电池最大功率点快速跟踪控制方法及装置。

背景技术：

在光伏发电的应用过程中，光伏电池的输出特性受温度、光照等外界参数的影响明显。由于光伏电池的输出功率随着输出电压的变化而变化，为控制光伏电池持续稳定的输出最大功率，即实现实时的最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking,mppt)，多种mppt方法被提出并应用。现阶段，应用最为广泛的mppt方法是基于爬山法思想的扰动观察法与电导增量法。这类算法以光伏电池输出功率曲线的单峰特性为基础，通过实时更新光伏电池的工作点并比较相应的功率，控制工作点向最大功率点接近。相较于其他算法，爬山类算法采集参数少、原理简单、易于实现且有较高的准确性。实现爬山类算法的常用控制方法有直接占空比控制与电压闭环控制。直接占空比控制作为开环控制，实现简单、便于应用，但在实际应用过程中存在跟踪速度较慢，不适用于外部环境变化较快的情况。电压闭环控制通过控制光伏电池输出电压收敛于参考电压，实现了更快的跟踪速度，但因电压环需要额外设计环路参数，结构也更为复杂。随着光伏电池的应用逐渐多元化，现有两种控制方法的跟踪速度已经很难满足需求。如将光伏电池应用于汽车、背包等移动物体上时，光伏电池的光照在短时间将发生明显的变化。为解决这一技术问题，多种基于预测控制的非线性控制方法被应用于爬山类算法。相较于现有控制方法，应用预测控制的非线性控制方法显著提升了光伏发电最大功率点跟踪的速度。但是，这些方法需要以变换器的准确模型为基础进行复杂的设计，且因具体实施过程中计算量大造成其难以实际应用。基于此，亟需提出一种简单有效的快速最大功率点跟踪控制方法，实现光伏发电的快速最大功率点跟踪控制。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种光伏电池最大功率点快速跟踪控制方法及装置。

实现本发明目的的技术方案为：

一种光伏电池最大功率点快速跟踪控制方法，包括：

步骤1：设置mppt采样周期、脉冲序列控制采样周期、脉冲序列步长δd和参考电压步长δv；初始化高脉冲占空比dh、低脉冲占空比dl和参考电压vref；其中，mppt采样周期是脉冲序列控制采样周期的正整数倍；

步骤2：按照脉冲序列控制采样周期采集光伏电池的输出电压vpv2，与当前vref做比较：如vpv2大于vref则输出当前dh，如vpv2小于vref则输出当前dl；所述dh和dl用于控制光伏电池的变换器；

步骤3：按照mppt采样周期采集光伏电池的输出电压vpv1；比较vpv1与当前vref，如vpv1等于vref则转到步骤4，否则更新dh和dl后转到步骤2；所述更新dh和dl为：如vpv1小于vref则令dh＝dh–δd和dl＝dl–δd，如vpv1大于vref则令dh＝dh+δd和dl＝dl+δd；

步骤4：按照mppt采样周期采集光伏电池的输出电流ipv1，计算当前周期与上一周期的功率差值δppv和电压差值δvpv1，更新vref后转到步骤2；所述更新vref为：如δppv与δvpv1的比值大于0则令vref＝vref+δv，否则令vref＝vref–δv。

一种光伏电池最大功率点快速跟踪控制装置，包括变换器和控制器；所述控制器包括电流采样模块、第一电压采样模块、第二电压采样模块、mppt算法模块、脉冲序列控制模块和pwm模块；电流采样模块和第一电压采样模块分别采集光伏电池的输出电流ipv1和输出电压vpv1，输入到mppt算法模块；mppt算法模块计算得到高脉冲占空比dh、低脉冲占空比dl和参考电压vref，输入到脉冲序列控制模块；第二电压采样模块采集光伏电池的输出电压vpv2，也输入到脉冲序列控制模块；脉冲序列控制模块比较参考电压vref和输出电压vpv2后选择输出高脉冲占空比dh或低脉冲占空比dl，再通过pwm模块控制变换器的开关管。

进一步地，所述变换器为boost变换器、buck变换器、反激变换器、半桥变换器或全桥变换器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明为光伏最大功率点跟踪控制，比现有直接占空比控制显著提升了系统的跟踪速度。

二、与现有电压闭环控制相比，本发明既提升了跟踪速度又降低了系统结构的复杂性。

三、与现有基于预测控制算法的非线性快速最大功率点跟踪控制方法相比，本发明原理简单、易于实现。

四、本发明的装置简单，便于应用，有明显的成本优势。

附图说明

图1为本发明实施例一的电路拓扑结构及控制示意图。

图2为脉冲序列控制模块的原理示意图。

图3为mppt算法模块的流程图。

图4为直接占空比控制实现mppt过程中光伏电池输出功率与输出电压的仿真波形图。

图5为电压闭环控制实现mppt过程中光伏电池输出功率与输出电压的仿真波形图。

图6为脉冲序列控制实现mppt过程中光伏电池输出功率与输出电压的仿真波形图。

其中，图4、图5、图6的仿真条件如下：光伏电池最大功率为80.5w，最大功率点处对应的输出电压为17.5v。光伏电池初始工作电压为20v，0.1s启动最大功率点跟踪控制。电感l为10μh，输入电容ci为470μf，输出电容co为200μf，开关频率为100khz，负载电阻为20ω。图4、图5、图6中的mppt采样周期分别为5ms、0.2ms、0.1ms，图6中的脉冲序列控制采样周期为0.01ms。为便于比较最大功率点的跟踪时间，光伏电池工作在最大功率点后即保持工作点不变。

图7为本发明实施例二的电路拓扑结构及控制示意图。

具体实施方式

一种光伏电池最大功率点快速跟踪控制方法，通过脉冲序列控制实现光伏电池的快速最大功率点跟踪。本方法除应用于基本最大功率点跟踪外，还可应用于全局最大功率点跟踪、分布式最大功率点跟踪等多种最大功率点跟踪场合。

具体包括如下步骤：

步骤1：初始化装置。具体包括设置：两个含有不同占空比的初始脉冲、mppt采样周期、脉冲序列控制采样周期、初始参考电压、参考电压步长、脉冲序列步长等参数；

步骤2：脉冲序列控制实现稳压。脉冲序列控制模块按照脉冲序列控制采样周期，采集光伏电池的输出电压，并将其与参考电压做比较，根据比较结果输出高脉冲或低脉冲以实现光伏电池输出电压稳定于参考电压；

步骤3：判断稳压。mppt算法模块按照mppt采样周期采集光伏电池的输出电压，并判断其与参考电压是否相等，即是否实现稳压控制，若相等则进入步骤4，否则更新占空比后返回步骤2；

步骤4：更新参考电压。mppt算法模块按照mppt采样周期采集光伏电池的输出电流，并计算光伏电池的输出功率。根据光伏电池输出功率对输出电压的导数更新参考电压，返回步骤2。

上述方法的mppt采样周期与脉冲序列控制采样周期，满足mppt采样周期是脉冲序列控制采样周期的正整数倍。

图1示出一种光伏电池最大功率点快速跟踪控制装置，由变换器和控制器组成。其中，变换器输入端连接光伏电池、输出端连接负载。控制器包括采样模块、mppt算法模块、脉冲序列控制模块、pwm模块。其中，输入端可以是单一光伏电池，也可以是串并联的光伏电池组。输出端可以连接电阻、电压源或直流电机等，可以等效为电压源串并联电阻的负载，也可以相互串并联后连接直流电网、逆变器等。

该装置的工作过程和原理是：采样模块1与采样模块2分别采集光伏电池的输出电流ipv1与输出电压vpv1，输入mppt算法模块。mppt算法模块输出dh与dl两个脉冲占空比与参考电压vref。mppt算法模块输出的参数dh、dl、vref与采样模块3采集的光伏电池输出电压vpv2共同输入脉冲序列控制模块。脉冲序列控制模块通过将vpv2与vref作比较，选择输出高脉冲占空比dh或低脉冲占空比dl。占空比经pwm模块输出周期性的高低组合的脉冲序列波形，控制变换器的开关管。

图2示出脉冲序列控制工作过程中将vpv2与vref做差，根据差值选择输出占空比。若差值大于零则输出高占空比dh，若差值小于零则输出低占空比dl。

图3示出mppt算法模块工作过程的流程图。模块首先判断vpv1是否等于vref，若不相等则更新占空比。更新占空比的过程中，若vpv1大于vref，则更新占空比dh与dl为dh+δd与dl+δd，否则更新占空比dh与dl为dh-δd与dl-δd。若vpv1与vref相等，则计算光伏电池的输出功率ppv，并根据ppv对vpv1的导数判断参考电压的变化方向。若δppv/δvpv1大于零，更新vref为vref+δv。若δppv/δvpv1小于零，更新vref为vref-δv。输出更新后的dl、dh与vref到脉冲序列控制模块。

本例的变换器为boost变换器。用matlab/simulink对直接占空比控制、电压闭环控制及本发明控制进行仿真对比，结果如下。

图4a、图4b分别为直接占空比控制实现mppt过程中光伏电池输出功率、输出电压的仿真波形图。由仿真波形图可知，由0.1s开始进行光伏电池最大功率点跟踪，光伏电池的输出功率经20ms到达了80.5w，即最大功率点。与此同时，光伏电池的输出电压也达到了其在最大功率点处的17.5v。

图5a、图5b分别为电压闭环控制实现mppt过程中光伏电池输出功率、输出电压的仿真波形图。由仿真波形图可知，由0.1s开始进行光伏电池最大功率点跟踪，光伏电池的输出功率经2ms到达了80.5w，即最大功率点。与此同时，光伏电池的输出电压也达到了其在最大功率点处的17.5v。

图6a、图6b分别为脉冲序列控制实现mppt过程中光伏电池输出功率、输出电压的仿真波形图。由仿真波形图可知，由0.1s开始进行光伏电池最大功率点跟踪，光伏电池的输出功率经1ms到达了80.5w，即最大功率点。与此同时，光伏电池的输出电压也达到了其在最大功率点处的17.5v。

对比可知，脉冲序列控制的mppt时间仅为电压闭环控制的一半、直接占空比控制的二十分之一，有效地提升了系统的跟踪速度。

图7示出另一种光伏电池最大功率点快速跟踪控制装置。本例与前例基本相同，不同之处是：本例控制的变换器为buck变换器。与前例相比，本例的变换器可应用于输出电压小于光伏电池输出电压的场合。

本发明除可用于以上实施例中的变换器，也可用于反激变换器、半桥变换器、全桥变换器等多种功率电路组成的快速光伏最大功率点跟踪装置。