CN102611141A - 一种基于扰动法的光伏逆变器mppt控制装置及方法 - Google Patents

一种基于扰动法的光伏逆变器mppt控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于扰动法的光伏逆变器MPPT控制装置及方法，装置包括直流电压电流检测电力、驱动电路、交流电流采样电路、电网电压采样电路以及DSP处理器；方法是基于常用的扰动法的改进，应用PID控制来计算出合适的步长，当目前跟踪的点远离最大功率点时，这时计算出来的步长会比较大，当目前跟踪的点在最大功率点附近时，这时计算出来的步长会比较小。本发明通过对扰动法的改进，避免原先扰动法的缺点，并且增加了MPP点跟踪的效率。

Description

一种基于扰动法的光伏逆变器MPPT控制装置及方法
技术领域
本发明涉及一种用于太阳能光伏发电***的MPPT控制装置及方法，特别是一种基于扰动法的光伏逆变器MPPT控制装置及方法，属于光伏逆变器的最大功率点跟踪技术领域。
背景技术
太阳能光伏发电技术是将取之不尽的太阳能转化为电力的技术，正在被人们渐渐的接受并广泛的应用。然而现在想让光伏发电技术广泛应用还比较困难，其中最重要的原因就是太阳能电池转化效率比较低，造成光伏发电成本较高。MPPT控制算法就是为了更完全地使用太阳能电池，提高电池利用效率。现常用的MPPT算法为扰动法，虽然扰动法使用很方便，但也有两点缺点：其一是会让光伏逆变器在MPP点左右震荡，从而导致能量损失，降低太阳能电池的效率；其二是普通的扰动法的扰动步长难以确定，如果步长太大则增加震荡的程度，如果步长过小的话则会增加寻找MPP点的时间。
发明内容
发明目的：针对现有技术存在的问题与不足，为了提高太阳能电池的使用效率，本发明提供一种更高效、稳定的基于扰动法的MPPT控制装置及方法。
技术方案：一种基于扰动法的光伏逆变器MPPT控制装置，在太阳能光伏发电***用于跟踪太阳能电池组件的最大功率点，包括直流电压电流检测电路、驱动电路、交流电流采样电路、电网电压采样电路以及DSP处理器；所述直流电压电流检测电路与太阳能光伏组件的直流输出端相连；所述交流电流采样电路的输入端接太阳能逆变器的输出端；所述电网电压采样电路的输入端接公用电网的单相输入端；所述驱动电路的输出端接光伏逆变器中的各个开关的控制端；所述DSP处理器为基于MPPT算法的DSP处理器，且包括AD模块和PWM输出模块，直流电压电流检测电路、交流电流采样电路以及电网电压采样电路的输出端和DSP处理器的AD输入端相连，DSP处理器的PWM输出端和驱动电路输入端相连。
一种基于扰动法的光伏逆变器MPPT控制方法，包括如下步骤：
首先，将直流电压电流检测电路检测到的直流电压和直流电流、交流电流采样电路检测到交流电流、电网电压采样电路检测到交流电压分别通过DSP处理器的AD模块转化成数字信号；
其次，DSP处理器通过MPPT算法以及SPWM算法对所述数字信号进行计算，并将计算结果通过PWM输出模块控制光伏逆变器中的开关，使得整个光伏逆变器能够正常的运转；其中，DSP处理器通过MPPT算法控制光伏逆变器中的开关占空比进行扰动的方法如下：
步骤301中，根据实际应用的光伏发电***初始化参数，所述参数包括比例系数Kp、***参数Ks、积分时间常数T、微分时间常数Td，最小误差值                                                
Figure 2012100919657100002DEST_PATH_IMAGE001
，然后根据所述参数计算出PID控制表达式中的系数，
a0=Ks*Kp*(1+T/Ti+Td/T)，a1=-Ks*Kp*(1+2*Td/T)，a2=Ks*Kp*Td/T；
步骤302中，直流电压电流检测电路将检测到的太阳能电池组件的直流输出电压和太阳能电池组件的直流输出电流传输给DSP处理器，并通过DSP处理器的AD模块转化成数字信号，得到太阳能电池组件的直流输出电压值U(k)和直流输出电流值I(k)，其中U(k 和I(k)分别表示在第k次进行MPPT控制中读取的直流输出电压值和直流输出电流值，并利用公式P(k)=U(k)*I(k)计算出太阳能电池组件的输入功率；
步骤303中，根据P(k)、U(k)以及上一次PID控制中的P(k-1)和U(k-1)计算***偏差；
步骤304中，判断***偏差的绝对值
Figure 2012100919657100002DEST_PATH_IMAGE003
是否小于最小误差值
Figure 544102DEST_PATH_IMAGE001
，如果
Figure 47896DEST_PATH_IMAGE004
，说明此时太阳能电池组件已经工作在了最大功率点，不需要对光伏逆变器中的开关占空比进行扰动，然后跳至步骤307；如果
Figure 2012100919657100002DEST_PATH_IMAGE005
，说明则太阳能电池组件还没工作在最大功率点，需要进行扰动，计算出相应的扰动值，最终的计算结果d为此扰动值加上SPWM算法计算出的结果， DSP处理器根据最终结果通过PWM输出模块向驱动电路发出光伏逆变器中各个开关的信号，进入步骤305；
步骤305中，根据结合光伏发电***的PID控制表达式
计算出此次PID控制的扰动值
Figure 723466DEST_PATH_IMAGE008
，其中的a0、a1、a2、Ks、Kp、T、Td都在步骤301中设定完毕，经过PID控制表达式计算出来的扰动值
Figure 21723DEST_PATH_IMAGE008
有个特点，当太阳能电池组件工作点距离最大功率点越远时，
Figure 346525DEST_PATH_IMAGE008
就越大，当太阳能电池组件工作点距离最大功率点越近时，
Figure 654010DEST_PATH_IMAGE008
就越小；
步骤306中，为了下一次PID控制做准备，设置
Figure 2012100919657100002DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 918507DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 2012100919657100002DEST_PATH_IMAGE011
；，然后跳至步骤308；
步骤307中，设置
Figure 2012100919657100002DEST_PATH_IMAGE013
；
步骤308中，根据来，计算出最终结果d，DSP处理器的PWM输出模块向驱动电路发出对光伏逆变器中的开关占空比进行扰动的信号，此次流程结束。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供的基于扰动法的光伏逆变器MPPT控制装置比较简易，使用起来成本比较低。本发明提供的基于扰动法的光伏逆变器MPPT控制方法是基于扰动法的改进，结合PID算法中的控制表达式，并以太阳能电池的特性曲线图中的斜率dP/dU为参数，计算出合适的扰动步长，达到快速跟踪MPP点以及MPP点附近无震荡的效果，并且增加了太阳能电池的使用效率。
附图说明
图1为本发明实施例的基于扰动法的光伏逆变器MPPT控制装置的原理框架图；
图2为本发明实施例的太阳能电池组件输出的P-U曲线图；
图3为本发明实施例的太阳能电池组件输出的–U曲线图；
图4为本发明实施例的基于扰动法的光伏逆变器MPPT控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，基于扰动法的光伏逆变器MPPT控制装置包括直流电压电流检测电路11、驱动电路12、交流电流采样电路13、电网电压采样电路14以及DSP处理器15。DSP处理器15包含AD转化模块和PWM输出模块，例如可以选择Microchip的DSPIC33FJ16GS502作为DSP处理器15。
其中，直流电压电流检测电路11与太阳能光伏组件的直流输出端相连；所述交流电流采样电路13的输入端接太阳能逆变器的输出端；电网电压采样电路14的输入端接公用电网的单相输入端；驱动电路12的输出端接光伏逆变器中的各个开关的控制端；DSP处理器15为基于MPPT算法的DSP处理器15，直流电压电流检测电路11、交流电流采样电路13以及电网电压采样电路14的输出端和DSP处理器15的AD输入端相连，DSP处理器15的PWM输出端和驱动电路输入端相连。
电流检测电路11检测到的Udc和Idc、交流电流采样电路13检测到Iac、电网电压采样电路14检测到Uac通过DPS处理器15的AD的模块转化成数字信号，DPS处理器15利用这些数据经过MPPT算法以及SPWM的算法计算出结果通过PWM输出模块控制光伏逆变器中的开关，使得整个光伏逆变器能够正常的运转。
如图2所示，图中曲线为光伏阵列的输出电压U与输出功率P的关系，当除负载之外的外部条件（光线强度、环境温度等）不变时，太阳能电池组件有个最大功率输出点（MPP点），当其他外部条件变化时，组件的MPP点也随之变化。
如图3所示，图中曲线为太阳能电池特性曲线中的斜率（
Figure 757838DEST_PATH_IMAGE014
）与输出电压U的关系，当达到MPP点的时候，太阳能电池组件的特性曲线的斜率为0，即
Figure 2012100919657100002DEST_PATH_IMAGE015
。最大功率跟踪算法就是让太阳能电池输出维持在最大功率输出点，当外部调节发生变化时，MPPT算法能够及时做出反映，并快速地调整，使得太阳能电池输出还是维持在最大功率输出点。
如图4所示，基于扰动法的光伏逆变器MPPT控制方法是基于扰动法的改进，结合PID算法中的控制表达式，并以太阳能电池的特性曲线图（如图1）中的斜率dP/dU为参数，计算出合适的扰动步长，达到快速跟踪MPP点以及MPP点附近无震荡的效果，并且增加了太阳能电池的使用效率。下面结合图3详细地描述本发明算法的流程：
首先，将直流电压电流检测电路11检测到的直流电压Udc和直流电流Idc、交流电流采样电路检测到交流电流Iac、电网电压采样电路检测到交流电压Uac分别通过DSP处理器15的AD模块转化成数字信号；
其次，DSP处理器15通过MPPT算法以及SPWM算法对所述数字信号进行计算，并将计算结果通过PWM输出模块控制光伏逆变器中的开关，使得整个光伏逆变器能够正常的运转；其中，DSP处理器14通过MPPT算法控制光伏逆变器中的开关占空比进行扰动的方法如下：
步骤301中，根据实际应用的光伏发电***初始化了一些参数，这些参数包括比例系数Kp、***参数Ks、积分时间常数T、微分时间常数Td，最小误差值
Figure 601161DEST_PATH_IMAGE001
，然后根据这些参数计算出PID控制表达式中的系数：
a0=Ks*Kp*(1+T/Ti+Td/T)；a1=-Ks*Kp*(1+2*Td/T)；a2=Ks*Kp*Td/T。
步骤302中，开始进入正式的MPPT控制，首先DSP处理器15从直流电压电流检测电路11中读取太阳能电池组件的的直流输出电压和电流，并通过AD模块转化成数字信号直流输出电压U(k)和直流输出电流I(k)，并计算太阳能电池组件的输入功率P(k)=U(k)*I(k)。
步骤303中，根据P(k)、U(K)以及上一次PID控制中P(k-1)、U(K-1)的计算***偏差
Figure 133511DEST_PATH_IMAGE002
。
步骤304中，判断***偏差的绝对值是否小于最小误差值
Figure 647986DEST_PATH_IMAGE001
，如果，说明此时太阳能电池组件已经工作在了最大功率点，不需要进行扰动，然后跳至步骤307；如果
Figure 245637DEST_PATH_IMAGE005
，说明则太阳能电池组件还没工作在最大功率点，需要进行扰动，进入步骤305。
步骤305中，根据结合光伏发电***的PID控制表达式
计算出此次PID控制的扰动值
Figure 916845DEST_PATH_IMAGE008
，其中的a0、a1、a2、Ks、Kp、T、Td都在步骤301中设定完毕，经过PID控制表达式计算出来的扰动值
Figure 164287DEST_PATH_IMAGE008
有个特点，当太阳能电池组件工作点距离最大功率点越远时，
Figure 235011DEST_PATH_IMAGE008
就越大，当太阳能电池组件工作点距离最大功率点越近时，
Figure 226101DEST_PATH_IMAGE008
就越小。
步骤306中，为了下一次PID控制做准备，设置
Figure 3564DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 920442DEST_PATH_IMAGE010
，；，然后跳至步骤308。
步骤307中，设置
Figure 639633DEST_PATH_IMAGE013
；
步骤308中，根据
Figure 228878DEST_PATH_IMAGE008
来，计算出最终的结果d，DSP处理器的PWM输出模块向驱动电路发出对光伏逆变器中的开关占空比进行扰动的信号，此次流程结束。

Claims (2)

1.一种基于扰动法的光伏逆变器MPPT控制装置，其特征在于：在太阳能光伏发电***用于跟踪太阳能电池组件的最大功率点，包括直流电压电流检测电路、驱动电路、交流电流采样电路、电网电压采样电路以及DSP处理器；所述直流电压电流检测电路与太阳能光伏组件的直流输出端相连；所述交流电流采样电路的输入端接太阳能逆变器的输出端；所述电网电压采样电路的输入端接公用电网的单相输入端；所述驱动电路的输出端接光伏逆变器中的各个开关的控制端；所述DSP处理器为基于MPPT算法的DSP处理器，且包括AD模块和PWM输出模块，直流电压电流检测电路、交流电流采样电路以及电网电压采样电路的输出端和DSP处理器的AD输入端相连，DSP处理器的PWM输出端和驱动电路输入端相连。
2.一种实现权利要求1所述的基于扰动法的光伏逆变器MPPT控制装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：
首先，将直流电压电流检测电路检测到的直流电压和直流电流、交流电流采样电路检测到交流电流、电网电压采样电路检测到交流电压分别通过DSP处理器的AD模块转化成数字信号；
其次，DSP处理器通过MPPT算法以及SPWM算法对所述数字信号进行计算，并将计算结果通过PWM输出模块控制光伏逆变器中的开关，使得整个光伏逆变器能够正常的运转；其中，DSP处理器通过MPPT算法控制光伏逆变器中的开关占空比进行扰动的方法如下：
步骤301中，根据实际应用的光伏发电***初始化参数，所述参数包括比例系数Kp、***参数Ks、积分时间常数T、微分时间常数Td，最小误差值 ，然后根据所述参数计算出PID控制表达式中的系数，
a0=Ks*Kp*(1+T/Ti+Td/T)，a1=-Ks*Kp*(1+2*Td/T)，a2=Ks*Kp*Td/T；
步骤302中，直流电压电流检测电路将检测到的太阳能电池组件的直流输出电压和太阳能电池组件的直流输出电流传输给DSP处理器，并通过DSP处理器的AD模块转化成数字信号，得到太阳能电池组件的直流输出电压值U(k)和直流输出电流值I(k)，其中k表示第k次进行MPPT控制，U(k )和I(k)分别表示在第k次进行MPPT控制中读取的直流输出电压值和直流输出电流值，并利用公式P(k)=U(k)*I(k)计算出太阳能电池组件的输入功率；
步骤303中，根据P(k)、U(k)以及上一次PID控制中的P(k-1)和U(k-1)计算***偏差
Figure 332245DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤304中，判断***偏差的绝对值是否小于最小误差值
Figure 405298DEST_PATH_IMAGE001
，如果
Figure 610014DEST_PATH_IMAGE004
，说明此时太阳能电池组件已经工作在了最大功率点，不需要对光伏逆变器中的开关占空比进行扰动，然后跳至步骤307；如果，说明则太阳能电池组件还没工作在最大功率点，需要进行扰动，计算出相应的扰动值，最终的计算结果d为此扰动值加上SPWM算法计算出的结果， DSP处理器根据最终结果通过PWM输出模块向驱动电路发出光伏逆变器中各个开关的信号，进入步骤305；
步骤305中，根据结合光伏发电***的PID控制表达式
计算出此次PID控制的扰动值
Figure 346523DEST_PATH_IMAGE007
，其中的a0、a1、a2、Ks、Kp、T、Td都在步骤301中设定完毕，经过PID控制表达式计算出来的扰动值
Figure 537071DEST_PATH_IMAGE007
有个特点，当太阳能电池组件工作点距离最大功率点越远时，
Figure 211766DEST_PATH_IMAGE007
就越大，当太阳能电池组件工作点距离最大功率点越近时，
Figure 735151DEST_PATH_IMAGE007
就越小；
步骤306中，为了下一次PID控制做准备，设置
Figure 102679DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 16408DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 993329DEST_PATH_IMAGE010
；，然后跳至步骤308；
步骤307中，设置
Figure 909649DEST_PATH_IMAGE012
；
步骤308中，根据
Figure 576254DEST_PATH_IMAGE007
来，计算出最终的结果d，DSP处理器的PWM输出模块向驱动电路发出对光伏逆变器中的开关占空比进行扰动的信号，此次MPPT控制流程结束。
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