CN102843035A - 具有精确限压限流及最大功率点跟踪的变换器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有精确限压限流及最大功率点跟踪的变换器的控制方法。该方法中电压和电流控制部分可以实现变换器输出电压和电流的精确调节和限制，最大功率跟踪控制部分实现光伏电池的最大功率跟踪，即在同一级DC/DC变换器上实现了限压、限流以及最大功率跟踪三种不同工作模式的控制策略和不同工作模式的协调与自动切换。当负载所需功率大于当前条件下电池功率时，最大功率跟踪部分控制光伏电池输出最大功率；当负载所需功率小于光伏电池最大输出功率时，电压和电流控制部分对输出电压或电流实现快速精确控制。

Description

具有精确限压限流及最大功率点跟踪的变换器的控制方法

 

技术领域

    本发明涉及的是一种光伏发电技术的控制方法，具体是一种精确限压限流功能的光伏电池最大功率跟踪控制方法，属于光伏发电技术领域。

背景技术

现代社会的繁荣和发展是建立在大量使用化石燃料的基础上。化石燃料属于不可再生能源，它有限的存量无法维持人类社会的长远发展，而且大量燃烧化石燃料破坏人类现今的生存环境，对地球气候产生负面影响。光伏电池通过光伏效应直接将太阳能转化为电能，使用中无需消耗其它资源也不释放包括二氧化碳在内的任何污染气体，是无污染的可再生能源。

由于光伏电池造价高效率低，人们根据光伏电池的物理特性开发了多种最大功率跟踪方法，使光伏电池尽最大可能将太阳能转化为电能，提高光伏电池的利用率。然而，当光伏电池输出的能量大于其负载能够吸收的功率时，多余的能量可能会对负载或者光伏电池变换器本身造成损伤。特别是在微型电网中使用时，不受控的输出电压或电流可能损坏整个网络上的设备，使整个网络崩溃。另外，光伏发电系统作为一个独立电源工作时，也要求变换器在光伏电池提供功率充足时输出指定的电压或电流。为了实现这个目标，通常需要两级变换器级联工作，一级实现光伏电池的最大功率跟踪，另一级实现输出的精确限压和限流。这样导致系统成本升高，可靠性降低，发电效率降低，光伏电池利用率降低。

发明内容

本发明在使用一级DC/DC变换器功率电路的基础上，将电压控制、电流控制和最大功率跟踪控制三种控制模式有机的结合起来实现了最大功率跟踪条件下输出的精确限压和限流。

本发明的目的是通过以下措施实现的：

一种具有精确限压限流及最大功率点跟踪的变换器的控制方法，该方法包括以下步骤：

（1） 电压控制环节：根据数字PI调节器的控制算法的差分方程，得到，

数字PI调节器输出的变化量：                                                                                   (1)

增量式数字PI调节器的输出为：

                                             (2)

设定电压控制环节的电压给定值(如5V)，利用单片机的AD采样来连续采集k与 k-1时刻变换器的输出电压值即电压采样值，将其分别与所述的电压给定值进行比较，即所述电压给定值减去所述电压采样值得到电压误差信号值e(k)，e(k-1)，代入(1)式来计算电压调节器输出的变化量Δu(k)，再利用(2)式来计算电压控制环节的输出值u(k)；其中，式（1）中e(k)，e(k-1)分别是k、k-1时刻的电压误差信号值，k _p、k _i分别表示比例系数、积分系数，其数值分别为0.429、0.0451；

       （2）电流控制环节：设定电流控制环节的电流给定值(如5V)，利用单片机AD采样来连续采集k与 k-1时刻变换器的输出电流值，然后分别与电流给定值做差比较得到电流误差信号值e(k)，e(k-1)，代入(3)式来计算电流调节器输出的变化量Δi(k)，再利用(4)式来计算电流控制环节的输出值i(k)；其中式（3）中e(k)，e(k-1)分别是k、k-1时刻的电流误差信号值，k _p、k _i分别表示比例系数、积分系数，其数值分别为0.339、0.0168；

根据数字PI调节器的控制算法的差分方程，得到，

数字PI调节器输出的变化量：

                                     (3)

增量式数字PI调节器的输出为：

                                                (4)

（3）最大功率点跟踪控制环节：通过单片机AD采样来连续采集k-1与k时刻光伏电池的输出电压值和输出电流值，计算当前时刻光伏电池的输出功率P(k-1)，然后对其施加扰动，再次计算扰动后的输出功率P(k)，然后比较扰动前后的功率数值变化，得出光伏电池工作

点需要变化的方向；D₁为PWM占空比的初始值，D₁取D ₀的50%；

若P(k)≥ P(k-1)，则扰动后的功率值增加，即增加占空比Δd，此时最大功率点跟踪控制环节输出的占空比值为D(k)=D(k-1)+Δd；

若P(k)< P(k-1)，则扰动后的功率值减小，减小占空比Δd，此时最大功率点跟踪控制环节输出的占空比值为D(k)=D(k-1)-Δd；

其中Δd为占空比变化值，若P(k)≥ P(k-1)，则占空比变化值Δd为D ₀的1%；若P(k)< P(k-1)，则占空比变化值Δd为D ₀的5%；其中D(k)，D(k-1)分别是k，k-1时刻最大功率点跟踪控制环节输出的PWM占空比值，D ₀是PWM占空比的最大值，其数值为单片机PWM占空比寄存器的最大值； 

（4）将电压控制环节的输出值u(k)与电流控制环节输出值i(k)进行比较，取其中较小的数值；然后此较小数值再与最大功率点跟踪控制环节输出的PWM占空比值D(k)进行比较，二者中较小的数值送到单片机的PWM信号寄存器，产生PWM驱动信号，进而去控制功率电路中功率管的导通和关断，实现对变换器的电压、电流以及光伏电池的最大功率点跟踪控制。

所述的单片机型号为dsPIC30F2020。

本控制方法由三个基本的控制部分构成：1、电压控制部分，即根据给定电压和输出电压反馈值调节功率电路中电感电流，实现对输出电压的闭环控制；2、电流控制部分，即根据给定电流和输出电流反馈值调节功率电路中电感电流，实现对输出电流的闭环控制；3、最大功率跟踪控制部分，即根据光伏电池的输出电压和输出电流调节PWM占空比使得光伏电池能够输出最大功率。

在系统协调控制时，电压控制和电流控制两部分的调节器输出的较小值需要与最大功率点跟踪控制输出值比较，用最小值来实现对占空比的调节。

本发明具有如下优点：

本发明通过一级DC/DC变换器可以实现光伏发电的最大功点率跟踪控制、输出电压的精确限压以及输出电流的精确限流；相对于普通的两级变换器实现的光伏发电系统而言，即通常一级来实现最大功率点跟踪控制，另一级来实现电压、电流控制，本发明可以降低系统成本，提高系统效率，增强系统的可靠性。

附图说明

图1 光伏发电系统结构图。

图2 三相交错并联的BUCK变换器电路结构图。

图3 电压闭环的控制算法框图。

图4 电流闭环的控制算法框图。

图5 系统输出特性图。

图6 系统总体软件控制方法流程图。

具体实施方式

独立光伏发电系统结构如图1所示，包括光伏电池、DC/DC变换器、控制器和直流负载，或还可包括有蓄电池。DC/DC变换器采用三个BUCK变换器，BUCK变换器的功率管选用型号为FF200R12KT4的英飞凌IGBT模块。每个变换器的驱动信号占空比大小相等，且相互之间相位差为120°。控制器dsPIC30F2020单片机。本发明的光伏发电变换器功率电路采用三相交错并联的Buck变换器，如图2所示。控制器通过改变开关管Q的PWM占空比来调节从光伏电池侧传递到Buck变换器负载侧的能量。

本发明的控制方法的基本原理：控制器中有三个控制部分，分别为最大功率跟踪部分、电压控制部分和电流控制部分，其中电压控制部分实现输出的精确限压，电流控制部分实现输出电流的精确限流。图3所示为电压闭环的控制框图，图4所示为电流闭环的控制框图，电流控制部分与电压控制部分有着相类似结构，这两个部分是为了实现精确限压或精确限流。当变换器输入功率即光伏电池输出的最大功率无法满足负载需要时，将会出现输出反馈电压小于给定电压并且输出反馈电流小于给定电流，这时两个调节器都会快速的饱和。此时，开关管的PWM占空比的大小只取决于PWM寄存器输入的占空比，而这个占空比的大小由最大功率跟踪部分决定。最大功率跟踪模块采样光伏电池的输出电压和电流，并根据光伏电池的自身特性调节PWM占空比的大小，使得光伏电池工作在最大功率点。

本控制方法的具体实施步骤：系统上电后，单片机控制电路正常运行，单片机完成初始化，开始执行软件程序；通过单片机的AD采样单元来采集电路的电压和电流数值，为软件计算奠定基础，在主循环中包括电压控制环节子程序，电流控制环节子程序以及最大功率点跟踪控制环节子程序。

本发明具有精确限压限流及最大功率点跟踪的变换器的控制方法，该方法包括以下步骤：

1.1 电压控制环节：根据数字PI调节器的控制算法的差分方程，得到，

数字PI调节器输出的变化量：

                                    (1)

增量式数字PI调节器的输出为：

                                             (2)

设定电压控制环节的电压给定值(如5V)，利用单片机的AD采样来连续采集k与 k-1时刻变换器输出电压值，将其与所述的电压给定值进行比较，即所述给定值减去电压采样值得到误差信号e(k)，e(k-1)，代入(1)式来计算电压调节器输出的变化量Δu(k)，再利用(2)式来计算电压控制环节的输出值u(k)，其中，e(k)，e(k-1)分别是k、k-1时刻的电压误差信号值，k=1，…，n，…；k _p、k _i分别表示比例系数、积分系数，其数值分别为0.429、0.0451。

输出电压的调节过程如下，如果输出电压增加，超过设定电压，则AD采样的电压信号的数值就会增加，与给定电压值比较，误差信号就会变为负值，调节器的输出值就会减小，PWM驱动信号的占空比就会减小，输出电压就会下降，直至稳定在设定值；反之，如果输出电压下降，小于设定电压，则AD采样的输出电压值就会小于设定电压，比较得到的电压误差信号为正值，调节器的输出值就会增加，PWM驱动信号的占空比就会增加，输出电压就会增加，直至稳定在输出值。即通过改变调节器的输出值来改变PWM驱动信号的导通时间，就可以改变变换器中功率管的导通时间，最终实现对输出电压的调节，保持输出电压的稳定。

       1.2 电流控制环节：设定电流控制环节的电流给定值(如5V)，利用单片机AD采样来连续采集k与 k-1时刻变换器输出电流值，然后与电流给定值做差比较得到电流误差信号e(k)，e(k-1)，代入(3)式来计算电流调节器输出的变化量Δi(k)，再利用(4)式来计算电流控制环节的输出值i(k)，其中e(k)，e(k-1)分别是k、k-1时刻的电流误差信号值，k=1，…，n，…；k _p、k _i分别表示比例系数、积分系数，其数值分别为0.339、0.0168。

根据数字PI调节器的控制算法的差分方程，得到，

数字PI调节器输出的变化量：

                                     (3)

增量式数字PI调节器的输出为：

                                                (4)

1.3 最大功率点跟踪控制环节：通过单片机AD采样来连续采集k-1与 k时刻光伏电池的输出电压值和输出电流值，来计算当前时刻光伏电池的输出功率P(k-1)，然后对其施加扰动，再次计算扰动后的输出功率P(k)，然后比较扰动前后的功率数值变化，得出光伏电池工作

点需要变化的方向；

若P(k)≥ P(k-1)，则扰动后的功率值增加，说明扰动方向是向最大功率点运动，则继续按

照上次的变化施加扰动，即增加占空比Δd，此时最大功率点跟踪控制环节输出的占空比值为D(k)=D(k-1)+Δd；

若P(k)< P(k-1)，则扰动后的功率值减小，说明扰动方向远离最大功率，则改为与上次变化相反的方向施加扰动，即减小占空比Δd，此时最大功率点跟踪控制环节输出的占空比值为D(k)=D(k-1)-Δd；

其中k=1，…，n，…；Δd为占空比变化值，若P(k)≥ P(k-1)，则占空比变化值Δd为D ₀的1%；若P(k)< P(k-1)，则占空比变化值Δd为D ₀的5%；其中D(k)，D(k-1)分别是k，k-1时刻最大功率点跟踪控制环节输出的PWM占空比值，D ₀是PWM占空比的最大值，其数值为单片机PWM占空比寄存器的最大值；D ₁是PWM占空比的初始值，其数值为D ₀的50%。

2 电压、电流以及最大功率点跟踪控制总体协调控制：

将电压控制环节的计算输出值u(k)与电流控制环节计算输出值i(k)进行比较，取其中较小的数值；然后此较小数值再与最大功率点跟踪控制环节计算的输出值D(k)进行比较，二者中较小的数值送到单片机的PWM信号寄存器，来产生PWM驱动信号，进而去控制功率电路中功率管的导通和关断，最终实现对变换器的电压、电流以及光伏电池的最大功率点跟踪控制。系统输出特性如图5所示，其中横坐标表示输出电流，纵坐标表示输出电压，横、纵坐标所围成的面积表示输出功率。

2.1 光伏电池的输出功率大于负载功率：

(1) 如果负载输出电流较小且小于设定值时，即通过AD采样得到的变换器输出电流值，然后判断与设定值的大小，若小于设定值，则负载功率较小，系统工作在稳压状态，如图5中的a段所示，其纵坐标值U _set为电压设定值，系统的输出电压数值与电压设定值相等，表示系统工作在稳压状态，此时电流控制环节不起作用，最大功率跟踪控制环节不起作用，电压控制环节起作用，具体工作如1.1中所述，这时的变换器输出功率是由给定的输出电压和负载大小来决定，而作为光伏电池最大功率跟踪依据的光伏电池输出功率即变换器输入功率与变换器输出功率只相差一个变换器效率。

(2) 如果负载电流很大超过给定电流值时，系统工作在稳流状态，图5中的c段，其横坐标I _set为输出电流设定值，系统的输出电流与电流设定值相等，表示系统工作在稳流状态，此时只有电流控制环节起作用，电压控制环节和最大功率跟踪控制环节不起作用，输出电流采样值与设定值进行比较，再经过电流控制环节的计算，保证输出电流的稳定，具体工作如1.2中所述。

2.2 光伏电池的输出功率不大于负载功率：

如果负载要求的功率不小于光伏电池提供的最大功率时，即通过AD采样变换器的输出电压、电流值来计算输出功率，然后与光伏电池的输出功率进行比较来确定功率大小。系统工作在图5中b曲线，表示光伏电池的最大输出功率P _max，是由光伏电池的非线性的输出特性决定，而非直线，输出电压和输出电流的反馈值都不能达到给定值，电压、电流调节器的输出值达到饱和值，其值大于最大功率控制环节的输出值，此时最大功率控制环节起作用，利用本文的MPPT控制算法，计算出最大功率跟踪控制环节的调节器输出值，进而去控制PWM占空比的变化，寻找到光伏电池最大功率点，具体工作如1.3中所述。当负载所要求功率与光伏最大输出功率刚好一致的时候，其工作点应该在图5中的a段和b段交点或是b段与 c段的交点处。这时系统会在两种模式间频繁的切换，但实际上最大功率跟踪的调节周期要远大于电压和电流控制部分的调节周期，所以在两次最大功率跟踪调节的过程中电压或电流调节已经完成，并不会相互影响导致系统不稳定。

Claims (2)

1.一种具有精确限压限流及最大功率点跟踪的变换器的控制方法，该方法包括以下步骤：

（1） 电压控制环节：根据数字PI调节器的控制算法的差分方程，得到，

数字PI调节器输出的变化量：                                               

                                    (1)

增量式数字PI调节器的输出为：

                                             (2)

设定电压控制环节的电压给定值，利用单片机的AD采样来连续采集k与 k-1时刻变换器的输出电压值即电压采样值，将其分别与所述的电压给定值进行比较，即所述电压给定值减去所述电压采样值得到电压误差信号值e(k)，e(k-1)，代入(1)式来计算电压调节器输出的变化量Δu(k)，再利用(2)式来计算电压控制环节的输出值u(k)；其中，式（1）中e(k)，e(k-1)分别是k、k-1时刻的电压误差信号值，k _p、k _i分别表示比例系数、积分系数，其数值分别为0.429、0.0451；

       （2）电流控制环节：设定电流控制环节的电流给定值(如5V)，利用单片机AD采样来连续采集k与 k-1时刻变换器的输出电流值，然后分别与电流给定值做差比较得到电流误差信号值e(k)，e(k-1)，代入(3)式来计算电流调节器输出的变化量Δi(k)，再利用(4)式来计算电流控制环节的输出值i(k)；其中式（3）中e(k)，e(k-1)分别是k、k-1时刻的电流误差信号值，k _p、k _i分别表示比例系数、积分系数，其数值分别为0.339、0.0168；

根据数字PI调节器的控制算法的差分方程，得到，

数字PI调节器输出的变化量：

                                     (3)

增量式数字PI调节器的输出为：

                                                (4)

（3）最大功率点跟踪控制环节：通过单片机AD采样来连续采集k-1与k时刻光伏电池的输出电压值和输出电流值，计算当前时刻光伏电池的输出功率P(k-1)，然后对其施加扰动，再次计算扰动后的输出功率P(k)，然后比较扰动前后的功率数值变化，得出光伏电池工作

点需要变化的方向；D₁为PWM占空比的初始值，D₁取D ₀的50%；

若P(k)≥ P(k-1)，则扰动后的功率值增加，即增加占空比Δd，此时最大功率点跟踪控制环节输出的占空比值为D(k)=D(k-1)+Δd；

若P(k)< P(k-1)，则扰动后的功率值减小，减小占空比Δd，此时最大功率点跟踪控制环节输出的占空比值为D(k)=D(k-1)-Δd；

其中Δd为占空比变化值，若P(k)≥ P(k-1)，则占空比变化值Δd为D ₀的1%；若P(k)< P(k-1)，则占空比变化值Δd为D ₀的5%；其中D(k)，D(k-1)分别是k，k-1时刻最大功率点跟踪控制环节输出的PWM占空比值，D ₀是PWM占空比的最大值，其数值为单片机PWM占空比寄存器的最大值； 

（4）将电压控制环节的输出值u(k)与电流控制环节输出值i(k)进行比较，取其中较小的数值；然后此较小数值再与最大功率点跟踪控制环节输出的PWM占空比值D(k)进行比较，二者中较小的数值送到单片机的PWM信号寄存器，产生PWM驱动信号，进而去控制功率电路中功率管的导通和关断，实现对变换器的电压、电流以及光伏电池的最大功率点跟踪控制。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的单片机型号为dsPIC30F2020。

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