CN108494005A - 基于自适应滑模控制光伏发电mppt控制器及其算法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于自适应滑模控制光伏发电MPPT控制器及其算法，包括数字信号处理芯片、检测及调理电路、驱动电路以及同步Boost DC/DC变换电路，所述数字信号处理芯片分别与检测及调理电路以及驱动电路连接，检测及调理电路、驱动电路再分别与同步Boost DC/DC变换电路连接，同步Boost DC/DC变换电路还连接光伏电池和直流母线。优点：针对光伏电池最大功率跟踪技术，相对其他方法，具有响应速度快，跟踪精度高及较强的鲁棒性和自适应性特点。

Description

基于自适应滑模控制光伏发电MPPT控制器及其算法
技术领域
本发明涉及一种基于自适应滑模控制光伏发电MPPT控制器及其算法，属于电力电子及新能源技术领域。
背景技术
太阳能是一种理想“清洁”的可再生能源。应用太阳能的最普遍的方法是通过光伏电池接收太阳能发电。太阳能电池阵列在其输出功率一电压的特性曲线上，对应有一个功率最大点，如果光伏电池能够保持工作在此功率最大点，那么其输出功率为该电池的极限输出功率，说这时光伏电池的转换效率达到最高。为了实现光伏发电***输出最大功率，必须对光伏发电***进行最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)。目前常用的光伏发电MPPT算法：如固定电压法、观测扰动法、电导增量法、模糊控制法、滑模控制法。上述方法均能在一定条件下起到良好的光伏发电最大功率点跟踪效果，但仍有以下一些缺点：
1)固定电压法对外界环境变化剧烈时动态性能比较差，跟踪精度不高并且会产生较大误差；观测扰动法在最大功率点附近不稳定，存在较大振荡，跟踪过程会产生错误判断，动态性能差。增量电导法控制参数较多，控制方法较复杂，对***硬件精度要求较高；模糊控制法具有很大的依赖性，控制效果差异很大。
2)滑模控制法是一种不连续的非线性控制。抗干扰能力强，自适应力强，动态性能好且跟踪速度快，但稳定性不是很好。
3)Boost DC/DC电路采用二极管进行续流，二极管导通时损耗较大，影响***的发电效率。
因此，对小功率光伏发电***，研究一种新的基于自适应滑模控制光伏发电MPPT算法，抗干扰能力强，适应力强，动态性能好且跟踪速度快，稳定性好，能够提高光伏发电***的效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于自适应滑模控制光伏发电MPPT控制器及其算法，可以有效提高光伏发电***的效率，有一定抗扰动能力、自适应能力和***稳定性，并易于实现，具有良好的应用前景。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于自适应滑模控制的光伏发电MPPT太阳能控制器，包括数字信号处理芯片、检测及调理电路、驱动电路以及同步Boost DC/DC变换电路，所述数字信号处理芯片分别与检测及调理电路以及驱动电路连接，检测及调理电路、驱动电路再分别与同步Boost DC/DC变换电路连接，同步Boost DC/DC变换电路还连接光伏电池和直流母线；
所述同步Boost DC/DC变换电路由电感L，功率器件V1、V2和电容C1、C2组成，电容C1与光伏电池相连，电感L和电容C1、功率管V1、V2相连，功率管V2通过电容C2和直流母线相连，功率管V1与驱动电路PWM1脚相连，功率管V2与驱动电路PWM2脚相连，驱动电路与数字信号处理芯片相连，检测及调理电路分别检测光伏电池输出电压、输出电流和直流母线的电压.
进一步的，所述数字信号处理芯片实现自适应滑模算法和PWM发生器功能，所述同步Boost DC/DC变换电路通过所述检测及调理电路检测直流侧输出电压uo、光伏电池的输出电压upv和输出电流iPV值，经过所述自适应滑模控制输出控制信号，再通过PWM发生器输出PWM信号，驱动功率器件功率管V1、V2的导通顺序，从而所述同步Boost DC/DC变换电路使所述光伏电池工作在最大功率点附近。
进一步的，所述同步Boost DC/DC变换电路的电路连接关系为：电容C1一端接光伏电池的正极和电感L的一端，另一端接光伏电池的负极，功率管V1的漏极分别接电感L的另一端和功率管V2的源极，功率管V1的源极接光伏电池的负极，功率管V2的漏极分别接电容C2一端和直流母线的正极，电容C2另一端和直流母线的负极及光伏电池的负极相连，功率管V1栅极接驱动电路的PWM1，功率管V2栅极接驱动电路的PWM2，所述电容C1和电容C2分别与所述检测及调理电路相连，用于检测光伏电池输出电压、输出电流和直流母线的电压。
进一步的，所述同步Boost DC/DC变换电路为同步变换电路，采用N型功率MOSFET功率管。
进一步的，所述功率管V1、V2的开关频率依据PWM发生器工作在固定的开关频率。
进一步的，所述功率管V1、V2的开关信号为互补信号。
一种基于自适应滑模控制的光伏发电MPPT太阳能控制器的算法，其特征是，包括如下步骤：
1)将直流侧输出电压uo、光伏组件的输出电压upv根据算式(1)计算出实时等效占空比ueq；
2)将光伏组件的输出电压upv和输出电流iPV值v根据算式(2)计算出滑模控制符号函数sgn(s)；
3)再根据算式(3)计算出滑模控制符号函数自适应步长增益ks，其中k0为初始滑模增益，可取光强对应变比的平均值作为基准值，ka为功率的比例增益，ks值在区间(0，1)变化；
4)将符号函数sgn(s)和步长增益ks相乘得到滑模控制量us，将滑模控制量us和等效占空比ueq相加得到控制量u；
5)经过PWM发生器产生驱动信号，判断同步Boost的DC/DC电路上的功率器件V1、V2的通断时间，驱动功率器件V1、V2通断对直流母线进行供电；
所述算式(1)、(2)以及(3)分别如下：
ks＝ka×iPV×uPV+k0 (算式3)。
本发明所达到的有益效果：
本发明提供的一种基于自适应滑模控制光伏发电MPPT控制器及其算法，抗干扰能力强，适应力强，动态性能好且跟踪速度快，稳定性好，能够提高光伏发电***的效率，并易于实现，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的一种基于自适应滑模控制光伏发电MPPT控制器的***框图；
图2是本发明的一种基于自适应滑模控制光伏发电MPPT控制器的算法的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于自适应滑模控制光伏发电MPPT控制器的***框图，算法通过数字处理芯片DSP，检测及调理电路、PWM控制电路和驱动电路实现。
所述同步Boost DC/DC变换电路由电感L，功率器件V1、V2和电容C1、C2、光伏电池和直流母线组成。电容C1与光伏电池相连，电感L和电容C1、功率管V1、V2相连，功率管V2通过电容C2和直流母线相连。功率管V1与驱动电路PWM1脚相连，功率管V2与驱动电路PWM2脚相连，驱动电路与数字信号处理芯片相连，检测及调理电路分别检测光伏电池输出电压、输出电流和直流母线的电压，检测及调理电路与数字芯片相连。
具体的连接关系为：图中V1、V2的1极、2极以及3极分别表示功率管的栅极、漏极、源极，C1一端接光伏电池的正极和电感L的一端，另一端接光伏电池的负极。V1的漏极分别接电感L一端和V2的源极，V1的源极接光伏电池的负极，V2的漏极分别接电容C2一端和直流母线的正极，电容C2另一端和直流母线的负极及光伏电池的负极相连。V1栅极接驱动电路的PWM1，V1栅极接驱动电路的PWM2，所述C1和C2分别与所述的检测及调理电路相连，用于检测光伏电池输出电压、输出电流和直流母线的电压。
该同步Boost DC/DC变换电路为升压型DC/DC变换电路，当功率管V1的导通时，光伏电池对电感L储能，电容C2为直流母线提供电能，当功率管V1的关断，功率管V2的导通，光伏电池和电感L通过功率管V2为直流母线提供电能，通过控制功率管的通断时间，使光伏电池总是跟踪最大的输出点。该电路采用功率管管替代二极管续流，避免了二极管的正向导通压降大，无法满足工作在高开关频率时对功耗和效率的要求，进一步提高整体效率、降低损耗。
如图2所示，一种基于自适应滑模控制光伏发电MPPT控制器的算法的原理图，通过检测直流侧输出电压uo、光伏组件的输出电压upv和输出电流iPV值。将直流侧输出电压uo、光伏组件的输出电压upv根据算式(1)计算出实时等效占空比ueq，将光伏组件的输出电压upv和输出电流iPV值v根据算式(2)计算出滑模控制符号函数sgn(s)，再根据算式(3)计算出滑模控制符号函数步长增益ks，其中k0为初始滑模增益，可取取光强对应变比的平均值作为基准值，ka为功率的比例增益，ks值在区间(0，1)变化。将符号函数sgn(s)和步长增益ks相乘得到滑模控制量us，将滑模控制量us和等效占空比ueq相加得到控制量u。经过PWM发生器产生驱动信号，判断同步Boost的DC/DC电路上的功率器件V1、V2的通断时间，驱动功率器件V1、V2通断对直流母线进行供电。上述操作通过在信号数字处理芯片DSP内编程完成。
ks＝ka×iPV×uPV+k (算式3)
本发明提供的一种新的基于自适应滑模控制光伏发电MPPT算法，抗干扰能力强，适应力强，动态性能好且跟踪速度快，稳定性好，能够提高光伏发电***的效率，并易于实现，具有良好的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于自适应滑模控制的光伏发电MPPT太阳能控制器，包括数字信号处理芯片、检测及调理电路、驱动电路以及同步Boost DC/DC变换电路，所述数字信号处理芯片分别与检测及调理电路以及驱动电路连接，检测及调理电路、驱动电路再分别与同步Boost DC/DC变换电路连接，同步Boost DC/DC变换电路还连接光伏电池和直流母线；
所述同步Boost DC/DC变换电路由电感L，功率器件V1、V2和电容C1、C2组成，电容C1与光伏电池相连，电感L和电容C1、功率管V1、V2相连，功率管V2通过电容C2和直流母线相连，功率管V1与驱动电路PWM1脚相连，功率管V2与驱动电路PWM2脚相连，驱动电路与数字信号处理芯片相连，检测及调理电路分别检测光伏电池输出电压、输出电流和直流母线的电压。
2.根据权利要求1所述的一种基于自适应滑模控制的光伏发电MPPT太阳能控制器，其特征是，所述数字信号处理芯片实现自适应滑模算法和PWM发生器功能，所述同步BoostDC/DC变换电路通过所述检测及调理电路检测直流侧输出电压uo、光伏电池的输出电压upv和输出电流iPV值，经过所述自适应滑模控制输出控制信号，再通过PWM发生器输出PWM信号，驱动功率器件功率管V1、V2的导通顺序，从而所述同步Boost DC/DC变换电路使所述光伏电池工作在最大功率点附近。
3.根据权利要求1所述的一种基于自适应滑模控制的光伏发电MPPT太阳能控制器，其特征是，所述同步Boost DC/DC变换电路的电路连接关系为：电容C1一端接光伏电池的正极和电感L的一端，另一端接光伏电池的负极，功率管V1的漏极分别接电感L的另一端和功率管V2的源极，功率管V1的源极接光伏电池的负极，功率管V2的漏极分别接电容C2一端和直流母线的正极，电容C2另一端和直流母线的负极及光伏电池的负极相连，功率管V1栅极接驱动电路的PWM1，功率管V2栅极接驱动电路的PWM2，所述电容C1和电容C2分别与所述检测及调理电路相连，用于检测光伏电池输出电压、输出电流和直流母线的电压。
4.根据权利要求1所述的一种基于自适应滑模控制的光伏发电MPPT太阳能控制器，其特征是，所述同步Boost DC/DC变换电路为同步变换电路，采用N型功率MOSFET功率管。
5.根据权利要求1所述的一种基于自适应滑模控制的光伏发电MPPT太阳能控制器，其特征是，所述功率管V1、V2的开关频率依据PWM发生器工作在固定的开关频率。
6.根据权利要求1所述的一种基于自适应滑模控制的光伏发电MPPT太阳能控制器，其特征是，所述功率管V1、V2的开关信号为互补信号。
7.一种基于权利要求2所述的基于自适应滑模控制的光伏发电MPPT太阳能控制器的算法，其特征是，包括如下步骤：
1)将直流侧输出电压uo、光伏组件的输出电压upv根据算式(1)计算出实时等效占空比ueq；
2)将光伏组件的输出电压upv和输出电流iPV值v根据算式(2)计算出滑模控制符号函数sgn(s)；
3)再根据算式(3)计算出滑模控制符号函数自适应步长增益ks，其中k0为初始滑模增益，可取光强对应变比的平均值作为基准值，ka为功率的比例增益，ks值在区间(0，1)变化；
4)将符号函数sgn(s)和步长增益ks相乘得到滑模控制量us，将滑模控制量us和等效占空比ueq相加得到控制量u；
5)经过PWM发生器产生驱动信号，判断同步Boost的DC/DC电路上的功率器件V1、V2的通断时间，驱动功率器件V1、V2通断对直流母线进行供电；
所述算式(1)、(2)以及(3)分别如下：
ks＝ka×iPV×uPV+k0 (算式3)。
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