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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