CN102611164A - 利用模湖算法的mppt光伏充放电控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用模湖算法的MPPT光伏充放电控制器，包括太阳能电池阵列及蓄电池组，所述太阳能电池阵列与所述蓄电池组之间连接有控制器，所述控制器连接有负载电路，所述控制器包括MPPT控制器、DC-DC变换电路，所述MPPT控制器由所述蓄电池组供电，用于检测所述太阳能电池阵列的电压及电流，并控制所述DC-DC变换电路；所述太阳能电池阵列通过所述DC-DC变换电路变换出合适的电压供给所述蓄电池组。本发明利用改进的模糊控制的MPPT算法，模糊控制法于模糊控制具有更好的动态和稳态性能光伏阵列的输出功率则随着输出电压的升高有一个输出功率最大点。

Description

利用模湖算法的MPPT光伏充放电控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术的一种光伏充放电控制器，具体涉及一种利用模湖算法的MPPT独立光伏充放电控制器。

背景技术

随着能源问题和环境问题的日益突出，作为清洁能源的太阳能越来越受到重视。近年来，太阳能光伏发电的研究和应用有了突飞猛进的增长，成为新能源的研究热点。制约太阳能光伏发电***发展的因素主要有高昴的制造成本和较低的转换效率。

在光伏***中，通常要求光伏电池的输出功率保持在最大，也就是让光伏电池工作在最大功率点，从而提高光伏电池的转换效率。MPPT就是一个不断测量和不断调整以达到最优的过程，它不需要知道光伏阵列精确的数学模型，而是在运行过程中不断改变可控参数的整定值，使得当前工作点逐渐向峰值功率点靠近，使光伏***运作在峰值功率点附近。

MPPT本质上是一个寻优过程。通过测量电压、电流和功率，比较它们之间的变化关系，决定当前工作点与峰值点的位置关系，然后控制电流（或电压）向当前工作点与峰值功率点移动，最后控制电流（或电压）在峰值功率点附近一定范围内来回摆动。

模糊控制算法设计的MPPT控制器能够稳定、高效地跟踪光伏阵列最大功率点；同时，在日照强度、环境温度等***参数扰动的情况下，能快速寻找新的工作点，保持***稳定，利用malab仿真表明相对于扰动观察法、电导增量法的控制器表现出很好的动态特性。使用MPPT控制器的太阳能发电***会比传统的效率提高50%，但是跟据实际测试，由于周围环境影响与各种能量损失，最终的效率也可以提高 20%-30%。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种利用模湖算法的MPPT独立光伏充放电控制器。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种利用模湖算法的MPPT光伏充放电控制器，包括太阳能电池阵列及蓄电池组，所述太阳能电池阵列与所述蓄电池组之间连接有控制器，所述控制器连接有负载电路，所述控制器包括MPPT控制器、DC-DC变换电路，所述MPPT控制器由所述蓄电池组供电，用于检测所述太阳能电池阵列的电压及电流，并控制所述DC-DC变换电路；所述太阳能电池阵列通过所述DC-DC变换电路变换出合适的电压供给所述蓄电池组。

进一步的，所述MPPT控制器还连接一个显示模块。

一种利用模湖算法的MPPT光伏充放电控制方法，包括以下步骤：

步骤1）存储隶属函数规则控制表；

步骤2）变换e(n)、a(n-1)到E(n)、A(n-1)，

步骤3）计算E(n)、A(n-1)的隶属度；

步骤4）取一条规则推理；

步骤5）判断是否推理结束，否则返回步骤4；

步骤6）反模糊化；

步骤7）变换A(n)至a(n)。

本发明的有益效果是:

本发明利用改进的模糊控制的MPPT算法，是借助人工神经网络法，由实测数据生成模糊控制规则。相对扰动观察法、电导增量法，模糊控制法于模糊控制具有更好的动态和稳态性能光伏阵列的输出功率则随着输出电压的升高有一个输出功率最大点。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1 光伏发电***的组成；

图2 MPPT控制***框图；

图3 单片机***图；

图4 LCD1602显示接口电路；

图5 电压检测电路；

图6 电流检测电路；

图7 AD电路；

图8 Boost变换电路；

图9 ***软件总体设计框图；

图10 模糊控制器流程图。

图中标号说明：1、太阳能电池阵列，2、控制器，201、MPPT控制器，202、DC-DC变换电路，203、显示模块，3、蓄电池组，4、负载电路。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参照图1所示，一种利用模湖算法的MPPT光伏充放电控制器，包括太阳能电池阵列1及蓄电池组3，所述太阳能电池阵列1与所述蓄电池组3之间连接有控制器2，所述控制器2连接有负载电路4，所述控制器2包括MPPT控制器201、DC-DC变换电路202，所述MPPT控制器201由所述蓄电池组3供电，用于检测所述太阳能电池阵列1的电压及电流，并控制所述DC-DC变换电路202；所述太阳能电池阵列1通过所述DC-DC变换电路202变换出合适的电压供给所述蓄电池组3。

进一步的，所述MPPT控制器201还连接一个显示模块203。

参照图10所示，一种利用模湖算法的MPPT光伏充放电控制方法，包括以下步骤：

步骤1）存储隶属函数规则控制表；

步骤2）变换e(n)、a(n-1)到E(n)、A(n-1)，

步骤3）计算E(n)、A(n-1)的隶属度；

步骤4）取一条规则推理；

步骤5）判断是否推理结束，否则返回步骤4；

步骤6）反模糊化；

步骤7）变换A(n)至a(n)。

1．光伏***简介

光伏发电***组成与负载有关，直流负载和交流负载都包含光伏阵列、蓄电池组、控制电路，其***结构如图1所示。光伏***的负载如果是直流负载不含逆变回路，可直接与蓄电池相连，对蓄电池的输出电压进行升（降）压后提供给负载。这类***结构简单，成本低廉。由于负载直流电压的不同，很难实现***的标准化和兼容性，特别是生活用电，负载主要为交流，而且直流***也很难实现并网运行。因此，交流光伏逆变电源正在逐渐取代直流光伏电源。交流光伏逆变电源***与直流光伏电源***的主要差别是在负载和蓄电池之间加入了逆变器，逆变器承担了将直流电压转化为交流电压的功能。

2．控制***框图

光伏发电***正是这样一个强非线性***，光伏电池也难以应用精确的数学模型描述出来，因此尝试采用模糊控制的方法来进行太阳电池的最大功率点跟踪。独立光伏***主要利用太阳能光伏阵列，将太阳能转换为电能，以DC-DC变换电路，变换出合适的电压供给直流负载使用。由于太阳能电池的输出有不稳压性，为获得连续的电能，有时还要加入蓄电池模块，以使电压电流平稳。为保证整个光伏***输出处于最大功率点，提高太阳能电池的利用率，设计基于模湖算法的MPPT控制器以使***始终处于最大功率点。MPPT控制***框图如图2所示。

3．单片机最小***设计。

本***设计选择STC90C54AD系列单片机，该单片机是宏晶科技推出的新一代超/高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，内部集成MAX810专用复位电路，时钟频率在12MHz以下时，复位脚可直接接地。***电源采用3端集成稳压器7805，外接滤波电容提供。上电复位电路电解电容为22μF，电阻选用10k，同时在电解电容两端并接一个按钮。外部晶振选择12MHz，两端并联两个30pF的微调电容。EA引脚接高电压，以选择内部程序存储器。单片机最小***电路如图3所示。

4．LCD显示电路设计

本***需要显示的信息主要有实时电压值、电流值、功率值、占空比等。

单片机常用的输出主要有LED发光二极管、数码管、LCD液晶显示等。LCD显示具有显示质量高，数字接口，控制方便，体积小、重量轻，功耗低等优点，使其在嵌入式***中获得广泛的应用。本***采用LCD显示输出，显示芯片选择为LCD1602。

LCD1602是一个数字接口的显示器，使用时只要设置命令字，使其处于相应的工作方式，再将要显示的字符的ASCII码送给芯片即可。所以在电路设计中选P0口作为并行数据线，因为P0口内部没有上拉电路，所以需外接上接电阻使其能够输出高电压。控制引脚使用P2口的三个端口：P2.7接LCD的RST脚、P2.6接LCD的R/W脚、P2.5接LCD的E脚，具体电路如图4所示。

5．电流、电压检测电路设计

***运行时需要实时检测太阳能光伏阵列的电压值和电流值，以进行相应控制。虽然电压和电流都是电量，但是单片机***仍然不能直接处理。因此首先要将电流信号转换为电压信号，其次再将电压信号变换到单片机***AD转换芯片能够接受的范围，一般为0~5V。电压测量电路采用电阻和运放组成，通过调节电阻R使得其处于相应测量范围，电压检测电路如图5所示。

电流检测是利用ACS712具有精确的低偏置线性霍尔传感器电路，且其铜制的电流路径靠近晶片的表面。通过该铜制电流路径施加的电流能够生成可被集成霍尔 IC 感应并转化为成比例电压的磁场。通过将磁性信号靠近霍尔传感器，实现器件精确度优化。 精确的成比例电压由稳定斩波型低偏置 BiCMOS 霍尔 IC 提供，该 IC 出厂时已进行精确度编程。当通过用作电流感测通路的主要铜制电流路径（从引脚 1 和 2，到 3 和 4）的电流不断上升时，器件的输出具有正斜率 (>VIOUT(Q))。 该传导通路的内电阻通常是 1.2 mΩ，具有较低的功耗。铜线的粗细允许器件在可达 5× 的过电流条件下运行。传导通路的接线端与传感器引脚（引脚 5 到 8）是电气绝缘的，电流检测电路如图6所示。 电压、电流检测输出信号分别送AD转换芯片的0通道和1通道进行AD转换输入到单片机进行控制。

6 ．AD转换电路

单片机只能处理数字信号，而实际***的电压信号量是模拟量，因些必须进行AD转换。选用TI公司的TLC2543来实现AD转换，这是一款12位串行，11通道，高速AD转换芯片。在具体电路连接时，选择通道0作为电压信号的输入，通道1作为电流信号输入。TLC2543芯片的串行接口线主要有四条，具体接法是时钟信号CLOCK接单片机P10，串行数据输入端DIN接单片机P11，串行数据输出端DOUT接单片机P12，片选信号CS2543接单片机P13。TLC2543与单片机之间只用4根线连接，基准电压选择的是单片机***电源+5V。具体电路如图7所示。

7．Boost变换电路

***DC-DC电路采用的是Boost电路，为实现***的最大功率跟踪控制，需要调节***开关管的导通和截止时间即改变占空比D的大小。单片机***根据现场实时数据通过内部控制算法计算得到D的大小，通过脉宽调制PWM的方法实现对***的控制。脉冲输出采用P22输出，为了减少变换电路对单片机***的干扰，在脉冲输出进行光电隔离。具体电路如图8所示。

8.***软件说明

单片机***程序主要分为两部分，即主程序和中断服务程序，合理地划分这两部分程序，对于整个***来说十分重要。本***软件主要包含***初始化、AD采样、模糊控制、脉宽调制输出、显示输出。***软件总体设计如图9所示。

在本***的构思当中，主程序主要完成***初始化程序，实时数据采样、模糊控制器设计、显示程序设计。通过模糊控制计算得***占空比输出，应用定时中断定时器T0，完成PWM信号转换，并将其中断优先级设为高。MPPT控制核心是模糊控制器的设计，模糊控功能图如图10所示。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种利用模湖算法的MPPT光伏充放电控制器，包括太阳能电池阵列（1）及蓄电池组（3），所述太阳能电池阵列（1）与所述蓄电池组（3）之间连接有控制器（2），所述控制器（2）连接有负载电路（4），其特征在于：所述控制器（2）包括MPPT控制器（201）、DC-DC变换电路（202），所述MPPT控制器（201）由所述蓄电池组（3）供电，用于检测所述太阳能电池阵列（1）的电压及电流，并控制所述DC-DC变换电路（202）；所述太阳能电池阵列（1）通过所述DC-DC变换电路（202）变换出合适的电压供给所述蓄电池组（3）。

2.根据权利要求1所述的利用模湖算法的MPPT光伏充放电控制器，其特征在于：所述MPPT控制器（201）还连接一个显示模块（203）。

3.一种利用模湖算法的MPPT光伏充放电控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）存储隶属函数规则控制表；

步骤2）变换e(n)、a(n-1)到E(n)、A(n-1)，

步骤3）计算E(n)、A(n-1)的隶属度；

步骤4）取一条规则推理；

步骤5）判断是否推理结束，否则返回步骤4；

步骤6）反模糊化；

步骤7）变换A(n)至a(n)。

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