CN117032385A - 一种应用于buck型拓扑的高效率mppt控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种应用于BUCK型拓扑的高效率MPPT控制方法,其中:MPPT过程可以分为两步执行,其中占空比的变化量大的目的是用于加快MPPT的追踪速度,占空比的变化量小的目的是用于提高MPPT的精度,其能自动感知光伏特性曲线的变化,提高了MPPT的整体静态运行效率和动态运行效率;并且运行过程中引入了信任机制可以有效排除因为采样不准导致的MPPT失效的问题。本发明解决了光伏电池在大功率模式下,断续模式影响MPPT的问题,同时对于小功率模式,即便是在断续模式下,也能保证稳定运行MPPT。
Description
技术领域
本发明涉及电源技术领域,尤其涉及一种应用与BUCK型拓扑的高效率MPPT控制方法。
背景技术
MPPT(最大功率点追踪)是太阳能发电***的一项关键技术,其目的是实现光伏能源转换效率的最大化。它通过动态调整光伏电池的运行点,以确保从光伏电池中实时提取最大功率,从而最大程度地提高能源收集效率。
最大功率点追踪算法包括扰动观测法、电导增量法、以及其他智能算法等。其中,扰动观测法只需要比较当前功率与相邻功率的大小关系,是一种相对简单实用的算法,它既不需要复杂的数学逻辑运算,节约了运算资源,也不需要深入了解光伏电池的具体模型,所以在实际中,被广泛的使用于中小规模的光伏发电***。
然而,扰动观测法仅通过比较实时功率值来调整工作点,对***采样的误差非常敏感,具有较高的精度要求。同时,光伏电池输出功率较低时,控制器电感电流会处于断续模式,断续模式下,由于采样带来的误差会让***误认为找到了最优点,从而使其无法达到全局最大功率点。其次,若控制器的占空比设置过大的步长,虽然有较快的追踪响应速度,但是会造成静态追踪效率过低,而若设置过小的步长,在光照强度变化较快的情况下,其响应速度可能不足以准确跟踪最大功率点,会造成动态追踪效率过低。
为了提高MPPT的整体静态运行效率和动态运行效率,本发明的针对现有技术存在的问题与不足,提供了一种应用于BUCK型拓扑的高效率MPPT控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于BUCK型拓扑的高效率MPPT控制方法,克服现有技术所存在的缺陷提高动态和稳态的追踪效率。
为了实现本发明的目的,本发明采取的技术方案为:
一种应用于BUCK型拓扑的高效率MPPT控制方法,包括以下步骤:
S0、初始化参数,以及变量寄存器,参数包括当前占空比D,三级占空比变化量△D1、△D2、△D3,变量寄存器包括P[0]、P[1]、P[2]、V[0]和V[1];
其中:当前T时间间隔内光伏电池的输出功率为P[0],前一个T时间间隔内的输出功率为P[1],前两个T时间间隔内的输出功率为P[2],当前T时间间隔内光伏电池输出电压为V[0],前一个T时间间隔内光伏电池输出电压为V[1];
S1、逐步增大当前占空比D,增长量为△D1,结合BUCK拓扑特性,对断续模式进行处理后,比较P[0]和P[1]的大小:当P[0]>P[1]重复S1,否则进入S2;
S2、将S1中最后运行的点记录为B点,设定A点处的占空比为D+△D2、B点处的占空比为D、C点处的占空比为D-△D2,依次测量A点、B点和C点的输出功率,得到PA、PB和PC,并测量A点、B点和C点的输出电压;其中在占空比变化时需要满足信任条件,满足信任条件的判断依据如下:当占空比D增加时,满足V[0]<V[1],若通过误采样得到V[0]>=V[1],则触发不信任条件;反之,当占空比D减小时,满足V[0]>V[1],若根据采样得到V[0]<=V[1],则触发不信任条件;
S3、将PA值赋给P[2],PB值赋给P[1],PC值赋给P[0],比较P[0]、P[1]、P[2],当P[2]<P[1]且P[1]>P[0]时,将占空比D记录为功率P[1]所对应的占空比后,切换至S4;若P[2]>P[1]>P[0],则此时位于光伏特性曲线的右边,需要以变化量△D2继续增大D,直至满足P[2]<P[1]且P[1]>P[0]后,记录P[1]所对应的占空比D后,切换至S4;其中在占空比变化时需要满足信任条件;
S4、若占空比D增加,判断P[0]与P[1]的大小,当P[0]>P[1]时,占空比D增大△D3,否则减小△D3;若占空比D减小,判断P[0]与P[1]的大小,当P[0]>P[1]时,占空比D减小△D3,否则增大△D3;判断是否存在一个模式计数器大于4,若满足则返回S2重新调试,若不满足则重复S4获取实时最大功率点;其中在占空比变化时需要满足信任条件。
进一步的,所述S1中引入了断续模式处理逻辑,具体如下:检测V[0]和V[1],若满足V[0]-V[1]>Vlimit,则认为是连续状态,其中Vlimit为阈值;若仍不满足V[0]-V[1]>Vlimit,则确定为断续模式,强制P[0]>P[1],直到满足V[0]-V[1]>Vlimit。
进一步的,所述S2中触发不信任条件后,占空比D首先会恢复至前一个T时间间隔内的值,然后适当增大△D2,重复步骤S2,再次改变占空比D,直到满足信任条件。
进一步的,所述S3中触发不信任条件后,占空比D下一个T时间间隔会停止变化,再次进行滤波,直到满足信任条件。
进一步的,所述S4中触发不信任条件后,占空比D下一个T时间间隔会停止变化,再次进行滤波,直到满足信任条件;若连续不满足信任条件超过4次后,占空比D首先会恢复至改变前的值,然后适当增大△D3,重复步骤S4,再次改变占空比D,直到满足信任条件。
进一步的,所述S4中还包含有2个模式计数器,分别对应步骤S4中的2种情况,每次运行不同模式时,不属于当前模式的计数器清0,若存在一个模式计数器的值大于4,会认为光伏特性曲线受到环境的变化而变化,需要进行大步长扰动,从而切换至步骤S2,以提高在光伏特性曲线变化的过程中MPPT的动态效率。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
1、MPPT过程可以分为两步执行,其中占空比的变化量大的目的是用于加快MPPT的追踪速度,占空比的变化量小的目的是用于提高MPPT的精度,其能自动感知光伏特性曲线的变化,提高了MPPT的整体静态运行效率和动态运行效率。
2、运行过程中引入了信任机制可以有效排除因为采样不准导致的MPPT失效的问题。
3、解决了光伏电池在大功率模式下,断续模式影响MPPT的问题,同时对于小功率模式,即便是在断续模式下,也能保证稳定运行MPPT。
附图说明
图1为光伏特性曲线图;
图2为本发明控制方法流程图;
图3为寻功率最大点示意图;
图4为四种不同模式示意图;
图5为环境变化下MPPT运行点示意图。
具体实施方式
为了更进一步阐述本发明为达成的预期目的所采用的技术手段,下面结合附图和优选实例进行详细阐述,以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解,从而对本发明提出的一种应用于BUCK型拓扑的MPPT控制方法的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本实施例中,相关参数如下,电池电压范围为42-54V,光伏电池MPPT电压范围为60-140V,额定最大功率为2.5kW,T为500ms。光伏电池的 P-V 特性曲线图如图 1 所示,其中黑点对应最大功率点。
扰动观察法的本质是通过改变占空比,将当前时刻测量的功率P[0]与前一时刻测量的功率P[1]进行比较,以确定下一个时刻占空比的变化方向。传统通过占空比直接扰动的观察法每次变化的步长固定,使得MPPT追踪速度和精度难以兼顾。同时,需要设置一个合理的占空比下限去避免断续模式使得MPPT控制失效的情况,难以应用于不同的开路电压。为此本实施例在传统方法上进行改进以实现高效率的 MPPT控制方法,其流程示意图如图2所示,具体步骤如下:
步骤S0、占空比D的初始值设为0,同时将变量寄存器P[0]、P [1]、P [2]、V[0]、V[1]清0,求得△D1、△D2、△D3需满足:
其中:Ubatmin为电池切断电压,Uocmax为光伏板开路电压最大值。
根据上述关系,本案例中,取0.05,则/>和/>可以分别取0.02和0.005。
步骤S1、以变化量为△D1,即0.05,每次增大占空比D。由于电池电压Ubat最大为54V,结合MPPT的最小电压为60V,根据经验,Vlimit被确定为2.5。由于MPPT点电压一般为开路电压为0.7至0.8倍,当D<=0.4时,V[0]-V[1]<=2.5,因此,根据断续模式处理机制,此时强制P[0]=1,P[1]=0。当D>0.4时,满足V[0]-V[1]>2.5,根据判断此时不进入断续模式处理机制,P[0]记录当前时刻功率,P[1]为记录上一时刻功率。直到D为0.6时满足条件P[0]<P[1],然后切换至步骤S2。其中光伏电池输出电压需要满足:
式中Umpptmin为光伏电池MPPT运行点的最小电压,Ubatmax为电池浮充电压。
步骤S2、由步骤S1得到B点的占空比DB为0.6,则A点处的占空比DA为0.62, C点处的占空比DC为0.58。若A点的输出电压小于B点且B点的输出电压小于C点,则被认为满足信任条件。假设若测得A点的输出电压大于等于B点,则触发不信任条件,此时将运行点退回至A点,然后增大△D2至0.025,再次采集B点的输出电压,直到满足A点的输出电压小于B点。依次在信任条件下完成PA、PB、PC的测量后切换至步骤S3。
步骤S3、将步骤S2得到的PA、PB、PC值分别赋给P[2]、P[1]、P[0],然后比较P[0]、P[1]和P[2]。在本例中,得到P[0]>P[1]>P[2],可知B点大致位于光伏特性曲线的左边,此时占空比D需要以变化量△D2,即以变化量0.02减小占空比,直到满足P[2]<P[1]且P[1]>P[0],如图3所示。占空比D减小过程中,若满足V[0]<=V[1],则触发不信任条件需要再次滤波,直到满足V[0]>V[1]才能再次减小占空比D。
步骤S4、此时占空比D的变化量变为△D3,即0.005。由于步长太小,采样带来的误差会经常触发不信任条件。以模式2为例,当遇到V[0]<=V[1]时,触发不信任条件,此时需要再次进行滤波,若依旧不满足,则再次滤波,若连续不满足信任条件超过4次后,占空比D首先会恢复至改变前的值,然后适当增大△D3,本例中将△D3变为0.01,然后变化占空比D后再次判断是否满足信任条件,若仍不满足信任条件,则重复上述步骤直到条件满足为止。当光伏特性曲线没有变化时,模式计数器的值不会大于4,不断重复步骤S4,以变化量为△D3,不断增大或减小占空比D,动态搜索最大功率点。当光伏特性曲线随环境变化如图5所示时,运行点会从MPPT点移动至光伏特性曲线的左半边,此时模式1计数器清0,模式2计数器每隔500ms加一次,当其值大于4时,程序会检测到光伏特性曲线受到环境的变化而变化,需要进行大步长扰动,从而切换至步骤S2。
其中模式计数器mode_cnt的上限可由下式求取:
式中ceil函数为向上取整函数。
其中占空比D的变化以及和模式计数器的关系满足下表:
应当解释的是,由于T较小,在一个T间隔内电池电压的变化不会对MPPT的追踪造成影响,可以忽略不计。同时应当理解的是,本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术,虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式,但是这些仅是举例说明,可以对这些实施方式做出多种变形或修改,而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明做任何形式上的限制,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内,依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种应用于BUCK型拓扑的高效率MPPT控制方法,其特征在于:包括以下步骤:
S0、初始化参数,以及变量寄存器,参数包括当前占空比D,三级占空比变化量△D1、△D2、△D3,变量寄存器包括P[0]、P[1]、P[2]、V[0]和V[1];
其中:当前T时间间隔内光伏电池的输出功率为P[0],前一个T时间间隔内的输出功率为P[1],前两个T时间间隔内的输出功率为P[2],当前T时间间隔内光伏电池输出电压为V[0],前一个T时间间隔内光伏电池输出电压为V[1];
S1、逐步增大当前占空比D,增长量为△D1,结合BUCK拓扑特性,对断续模式进行处理后,比较P[0]和P[1]的大小:当P[0]>P[1]重复S1,否则进入S2;
S2、将S1中最后运行的点记录为B点,设定A点处的占空比为D+△D2、B点处的占空比为D、C点处的占空比为D-△D2,依次测量A点、B点和C点的输出功率,得到PA、PB和PC,并测量A点、B点和C点的输出电压;其中在占空比变化时需要满足信任条件,满足信任条件的判断依据如下:
当占空比D增加时,满足V[0]<V[1],若通过误采样得到V[0]>=V[1],则触发不信任条件;反之,当占空比D减小时,满足V[0]>V[1],若根据采样得到V[0]<=V[1],则触发不信任条件;
S3、将PA值赋给P[2],PB值赋给P[1],PC值赋给P[0],比较P[0]、P[1]、P[2],当P[2]<P[1]且P[1]>P[0]时,将占空比D记录为功率P[1]所对应的占空比后,切换至S4;若P[2]>P[1]>P[0],则此时位于光伏特性曲线的右边,需要以变化量△D2继续增大D,直至满足P[2]<P[1]且P[1]>P[0]后,记录P[1]所对应的占空比D后,切换至S4;其中在占空比变化时需要满足信任条件;
S4、若占空比D增加,判断P[0]与P[1]的大小,当P[0]>P[1]时,占空比D增大△D3,否则减小△D3;若占空比D减小,判断P[0]与P[1]的大小,当P[0]>P[1]时,占空比D减小△D3,否则增大△D3;判断是否存在一个模式计数器大于4,若满足则返回S2重新调试,若不满足则重复S4获取实时最大功率点;其中在占空比变化时需要满足信任条件。
2.如权利要求1所述的一种应用于BUCK型拓扑的高效率MPPT控制方法,其特征在于:所述S1中引入了断续模式处理逻辑,具体如下:检测V[0]和V[1],若满足V[0]-V[1]>Vlimit,则认为是连续状态,其中Vlimit为阈值;若仍不满足V[0]-V[1]>Vlimit,则确定为断续模式,强制P[0]>P[1],直到满足V[0]-V[1]>Vlimit。
3.如权利要求1所述的一种应用于BUCK型拓扑的高效率MPPT控制方法,其特征在于:所述S2中触发不信任条件后,占空比D首先会恢复至前一个T时间间隔内的值,然后适当增大△D2,重复步骤S2,再次改变占空比D,直到满足信任条件。
4.如权利要求1所述的一种应用于BUCK型拓扑的高效率MPPT控制方法,其特征在于:所述S3中触发不信任条件后,占空比D下一个T时间间隔会停止变化,再次进行滤波,直到满足信任条件。
5.如权利要求1所述的一种应用于BUCK型拓扑的高效率MPPT控制方法,其特征在于:所述S4中触发不信任条件后,占空比D下一个T时间间隔会停止变化,再次进行滤波,直到满足信任条件;若连续不满足信任条件超过4次后,占空比D首先会恢复至改变前的值,然后适当增大△D3,重复步骤S4,再次改变占空比D,直到满足信任条件。
6.如权利要求1所述的一种应用于BUCK型拓扑的高效率MPPT控制方法,其特征在于:所述S4中还包含有2个模式计数器,分别对应步骤S4中的2种情况,每次运行不同模式时,不属于当前模式的计数器清0,若存在一个模式计数器的值大于4,会认为光伏特性曲线受到环境的变化而变化,需要进行大步长扰动,从而切换至步骤S2,以提高在光伏特性曲线变化的过程中MPPT的动态效率。
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- 2023-10-09 CN CN202311293615.3A patent/CN117032385B/zh active Active
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