CN105045332A - 一种适用于光伏电池的mppt控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于光伏电池的MPPT控制方法，使用双直线近似法和小步长扰动观察法相结合进行光伏电池的MPPT跟踪，先根据光伏电池等效模型建立两条最大功率点电压和环境温度、日照强度之间的近似直线，然后根据采集的环境温度、日照强度和两条近似直线确定最大功率点电压，再由光伏电池实际输出电压和最大功率点电压差值通过PI调节后生成驱动开关器件的PWM脉冲信号，把光伏电池调整到最大功率点附近，最后通过小步长的扰动观察法精确跟踪最大功率点。本发明具有快速、高效、控制准确的优势，同时算法简单、对控制器要求低，工程实现方便。

Description

一种适用于光伏电池的MPPT控制方法

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电技术领域，尤其是涉及一种适用于光伏电池的MPPT控制方法。

背景技术

太阳能是干净、无污染、随处可得的能源，而且取之不尽、用之不竭。在化石能源逐渐短缺的今日，太阳能成为当今世界各国极力发展的新能源之一。但太阳能光伏电池是一种极不稳定的电源，光电转换效率低是制约其发展的重要因素。最大功率点跟踪(MaximPowerPointTracking，MPPT)技术的提出，使太阳能光伏电池的光电转换效率得到极大提高。

常规的固定电压法原理简单、易于实现，但控制精度比较低；扰动观察法具有振荡幅度大或者跟踪速度慢的缺点；电导增量法则对硬件要求高，需要高速A/D采样；模糊自适应法和神经网络法等算法过于复杂，实际工程实现有难度；单纯的直线近似法本身过于依赖光伏电池的等效模型，而部分直线近似法则忽略温度或日照强度对等效模型的影响，造成算法精度不高。

因此现有的技术有待改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提出一种具有工程实现可行性的MPPT控制方法，能快速、高效、准确地跟踪光伏电池最大功率点，从而提高光伏电池的光电转换效率。

为解决上述的技术问题，本发明采取的技术方案如下：

一种适用于光伏电池的MPPT控制方法，其特征在于：使用双直线近似法和小步长扰动观察法相结合进行光伏电池的MPPT跟踪。先根据光伏电池等效模型建立两条最大功率点电压和环境温度、日照强度之间的近似直线，然后根据采集的环境温度、日照强度和两条近似直线确定最大功率点电压，再由光伏电池实际输出电压和最大功率点电压差值通过PI调节后生成驱动开关器件的PWM脉冲信号，把光伏电池调整到最大功率点附近，最后通过小步长的扰动观察法精确跟踪最大功率点。

进一步地，包括以下步骤：

(1)、根据实际使用光伏电池的等效模型，建立最大功率点电压和日照强度之间的近似直线V′_mpp(S_i)，以及最大功率点电压和温度之间的近似直线V_mpp(T)。

(2)、实时采集光伏电池输出电压V、输出电流I，以及环境温度T、日照强度S_i。

(3)、根据日照强度S_i和直线V′_mpp(S_i)确定最大功率点电压V′_mpp。

(4)、根据温度T、最大功率点电压V′_mpp和直线V_mpp(T)确定最大功率点电压V_mpp。

(5)、由电压V和最大功率点电压V_mpp的差值生成驱动开关器件的PWM脉冲信号，直至V＝V_mpp。

(6)、小步长的调节光伏电池输出电压V，使光伏电池输出功率达到最大功率点。

(7)、计算环境温度T、日照强度S_i的变化量，若变化量过大，即返回步骤(3)，重新确定最大功率点电压V′_mpp和V_mpp。

进一步地，近似直线V′_mpp(S_i)的形式为V′_mpp＝k_siS_i+b，其中系数k_si和b由光伏电池的等效模型来确定。

进一步地，近似直线V_mpp(T)的形式为V_mpp＝V′_mpp+k_T(25-T)，其中系数k_T由光伏电池的等效模型来确定，并且跟日照强度有关。

所述的系数k_T，k_T的形式为k_T＝kS_i，其中系数k由光伏电池的等效模型来确定。

进一步地，光伏电池输出电压V和最大功率点电压V_mpp的差值通过PI调节后生成驱动开关器件的PWM脉冲信号，使得光伏电池输出电压V达到V_mpp的时间很短，能达到30ms以内。

进一步地，扰动观察法调节光伏电池输出电压V的步长比较小，不超过0.1V。

进一步地，进入小步长扰动观察法步骤后，要同时监测环境温度T、日照强度S_i，若两者变化量过大，要重新通过双直线近似法估算最大功率点电压V_mpp。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)双直线近似法能准确跟踪光伏电池最大功率点跟随环境温度、日照强度的变化，并快速地把光伏电池输出功率调整到最大功率点附近，克服了一般算法的跟踪速度慢、适应环境变化性差的缺陷。

(2)小步长扰动观察法的使用避免了常规扰动观察法振荡幅度大的缺陷，也克服了单纯直线近似法过于依赖光伏电池等效模型的弱点。

(3)本算法快速、高效、控制准确，工程可实现性强，对控制器要求低。

附图说明

图1本发明的软件流程图

图2T＝25℃时，V_mpp-S_i特性曲线和近似直线

图3S_i＝100mW/cm²时，V_mpp-T特性曲线和近似直线

图4S_i＝20mW/cm²、40mW/cm²、60mW/cm²、80mW/cm²、100mW/cm²时，V_mpp-T特性曲线

图5本发明实现的硬件***框图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

图1所示为本发明一个优选实施例，包括如下实现步骤：

步骤S1、根据实际使用光伏电池的等效模型，建立最大功率点电压和日照强度S_i之间的近似直线V′_mpp(S_i)，以及最大功率点电压和温度T之间的近似直线V_mpp(T)。

推论过程如下：

光伏电池等效模型的数学表达式如下：

$I=I_{\mathrm{ph}}-I_{\mathrm{sat}}[\exp \left(\frac{\mathrm{qV}}{\mathrm{kTA}}\right)-1]$

I_ph＝[I_sso+K_i(T-T_r)]S_i/100

$I_{\mathrm{sat}}=I_{\mathrm{rr}}{\left[\frac{T}{T_r}\right]}^3\exp \left[\frac{q{E}_{\mathrm{Gap}}}{\mathrm{kA}}(\frac{1}{T_r}-\frac{1}{T})\right]$

公式中，I、V分别是光伏电池输出电流和电压；I_ph是光伏电池产生的电流；I_sat是反向饱和电流；q是一个电子的电荷量；k是玻尔兹曼常数；T是光伏电池的温度；A是光伏电池的理想因数；I_sso是标准条件下的短路电流；K_i是光伏电池的短路电流温度系数；T_r是光伏电池的参考温度；S_i是日照强度；I_rr是光伏电池在温度T_r时的反向饱和电流；E_Gap是半导体材料跨越能带间隙时的能量。

光伏电池输出功率P＝VI，令求得最大功率点电压V_mpp：

$V_{\mathrm{mpp}}=\frac{\mathrm{kTA}}{q}\ln \left[\frac{I_{\mathrm{ph}}+I_{\mathrm{sat}}}{I_{\mathrm{sat}}+I_{\mathrm{sat}}q{V}_{\mathrm{mpp}}/\left(\mathrm{kTA}\right)}\right]$

可知，温度T和日照强度S_i的变化直接影响到V_mpp的数值，而V_mpp直接决定了光伏电池的最大功率点。V_mpp的求解可通过牛顿迭代法来完成。

图2是典型光伏电池SolarexMSX6060W在T为25℃，S_i从20mW/cm²变化到100mW/cm²时，V_mpp和S_i之间的关系曲线，以及用V′_mpp＝k_siS_i+b形式近似的直线。可以发现，两条线之间的误差不会超过0.4V。近似直线中系数k_si和b可根据图2求出。

图3是典型光伏电池SolarexMSX6060W在S_i为100mW/cm²，T从25℃变化到85℃时，V_mpp和T之间的关系曲线，以及用V_mpp＝V′_mpp+k_T(25-T)形式近似的直线。可以发现，两条线之间的误差不会超过0.1V。此时近似直线中V′_mpp是图2中S_i为100mW/cm²时所对应的最大功率点电压值。

图4是典型光伏电池SolarexMSX6060W在S_i分别为20mW/cm²、40mW/cm²、60mW/cm²，80mW/cm²、100mW/cm²，T从25℃变化到85℃时，V_mpp和T之间的关系曲线。可见，S_i为不同值时，V_mpp变化量是不一样的。因此，k_T的形式为k_T＝kS_i，其中系数k由图4确定。

步骤S2、实时采集光伏电池输出电压V、输出电流I，以及环境温度T、日照强度S_i。若现场配有环境检测仪，则环境温度T、日照强度S_i数据由环境检测仪通过通信接口传输到MPPT控制器，减少本发明的硬件成本。

步骤S3、根据采集的日照强度S_i和近似直线V′_mpp(S_i)确定当前S_i时最大功率点电压V′_mpp值。

步骤S4、根据采集的温度T、最大功率点电压V′_mpp和近似直线V_mpp(T)确定当前温度、当前日照强度下的最大功率点电压V_mpp。

步骤S5、由电压V和最大功率点电压V_mpp的差值生成驱动开关器件的PWM脉冲信号，直至V＝V_mpp。

图5是本发明实现的硬件***框图，DC-DC变换部分采用常用的BOOST升压斩波电路。采集的电压V和最大功率点电压V_mpp的差值通过PI调节后生成PWM信号，以控制功率器件S的占空比从而达到动态改变光伏电池外接等效负载的目的。

步骤S6、小步长的调节光伏电池输出电压V，使光伏电池输出功率达到最大功率点。

由于光伏电池等效模型存在误差以及双直线近似过程也存在误差，造成最大功率点电压和最大功率点理论值和实际值存在误差，所以通过小步长的扰动观察把光伏电池输出功率调整到真正的最大功率点。

步骤S7、计算环境温度T、日照强度S_i的变化量，若变化量过大，即返回步骤S3，重新估算最大功率点电压V′_mpp和V_mpp。

小步长的扰动观察调整最大功率点时，还需实时监测环境温度T、日照强度S_i的变化量，若变化量过大，需要用双直线近似法重新估算最大功率点电压V′_mpp和V_mpp。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于光伏电池的MPPT控制方法，其特征在于：使用双直线近似法和小步长扰动观察法相结合进行光伏电池的MPPT跟踪；先根据光伏电池等效模型建立两条最大功率点电压和环境温度、日照强度之间的近似直线，然后根据采集的环境温度、日照强度和两条近似直线确定最大功率点电压，再由光伏电池实际输出电压和最大功率点电压差值通过PI调节后生成驱动开关器件的PWM脉冲信号，把光伏电池调整到最大功率点附近，最后通过小步长的扰动观察法精确跟踪最大功率点。

2.根据权利要求1所述的适用于光伏电池的MPPT控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据实际使用光伏电池的等效模型，建立最大功率点电压和日照强度之间的近似直线V′_mpp(S_i)，以及最大功率点电压和环境温度之间的近似直线V_mpp(T)；

(2)实时采集光伏电池输出电压V、输出电流I，以及环境温度T、日照强度S_i；

(3)根据日照强度S_i和直线V′_mpp(S_i)确定最大功率点电压V′_mpp；

(4)根据温度T、最大功率点电压V′_mpp和直线V_mpp(T)确定最大功率点电压V_mpp；

(5)由电压V和最大功率点电压V_mpp的差值生成驱动开关器件的PWM脉冲信号，直至V＝V_mpp；

(6)小步长的调节光伏电池输出电压V，使光伏电池输出功率达到最大功率点；

(7)计算环境温度T、日照强度S_i的变化量，若变化量过大，即返回步骤(3)，重新确定最大功率点电压V′_mpp和V_mpp。

3.根据权利要求2所述的适用于光伏电池的MPPT控制方法，其特征在于，近似直线V′_mpp(S_i)的形式为V′_mpp＝k_siS_i+b，其中系数k_si和b由光伏电池的等效模型来确定。

4.根据权利要求2所述的一种适用于光伏电池的MPPT控制方法，其特征在于，近似直线V_mpp(T)的形式为V_mpp＝V′_mpp+k_T(25-T)，其中系数k_T由光伏电池的等效模型来确定，并且跟日照强度有关。

5.根据权利要求4所述的适用于光伏电池的MPPT控制方法，其特征在于，k_T的形式为k_T＝kS_i，其中系数k由光伏电池的等效模型来确定。

6.根据权利要求2所述的一种适用于光伏电池的MPPT控制方法，其特征在于，光伏电池输出电压V和最大功率点电压V_mpp的差值通过PI调节后生成驱动开关器件的PWM脉冲信号，使得光伏电池输出电压V达到V_mpp的时间很短，能达到30ms以内。

7.根据权利要求2所述的一种适用于光伏电池的MPPT控制方法，其特征在于，扰动观察法调节光伏电池输出电压V的步长比较小，不超过0.1V。

8.根据权利要求2所述的一种适用于光伏电池的MPPT控制方法，其特征在于，进入小步长扰动观察法步骤后，同时监测环境温度T、日照强度S_i，若两者变化量过大，重新通过双直线近似法估算最大功率点电压V_mpp。