一种用于太阳能光伏发电系统的MPPT控制装置及方法

摘要

本发明公布了一种用于太阳能光伏发电系统的MPPT控制装置及方法，本发明所述装置包括MPPT采样电路、驱动电路、电流采样电路、电压采样电路以及DSP处理器。本发明所述方法当扰动方向持续3次不变时，电压扰动值乘以2的指数倍增大，以达到快速追踪至最大功率点处。当Udc在UPMAX附近摆动时，电压扰动值除以2的指数倍减小，从而减小光伏阵列电压Udc的摆动范围，使Udc稳定于最大输出功率点对应的光伏阵列输出电压UPMAX处。本发明避免了现有最大功率点跟踪技术存在的跟踪速度慢、在最大工作电压附近摆动的现象。

说明书

技术领域

发明涉及一种用于太阳能光伏发电系统的MPPT控制装置及方法，属于最大功率点跟踪装置及方法。

背景技术

基于太阳能利用的光伏发电技术得到了广泛的关注，但是光伏电池的输出功率受光伏电池温度以及太阳辐射强度的影响。在相同的辐射条件下，光伏电池的温度越高，则光伏电池的开路电压越低，输出功率越小；反之，光伏电池的温度越低，则光伏电池的开路电压就越高，输出功率越大。在相同的光伏电池温度下，照射到光伏电池上的辐射强度越强，则光伏电池的短路电流就越高，输出功率越大；辐射强度越低，则光伏电池的短路电流越低，输出功率越小。在实际光伏系统中，光伏电池的输出功率往往同时受到温度T及太阳辐射强度S变化的影响，温度T的增加使得光伏电池的输出功率产生减小的趋势，辐射强度S的增加使得光伏电池的输出功率产生增大的趋势，光伏电池的实际输出功率是这两种趋势相互作用的结果。

为了提高光伏电池的利用效率，提高单位面积光伏电池的发电量，需要针对光伏电池的上述特性，采用一定的控制策略来使光伏发电系统工作在光伏电池的最大功率点上。已知的电压扰动法MPPT策略先扰动光伏阵列输出电压值，再对扰动后的光伏阵列输出功率进行观测，然后与扰动之前功率值相比，若扰动后的功率值增加，则扰动方向不变；若扰动后的功率值减小，则改变扰动方向，直至搜索到光伏阵列的最大工作电压附近。传统的电压扰动法采用固定步长对光伏阵列输出电压进行扰动，存在工作电压在光伏阵列最大工作电压附近摆动的问题。如果选择的步长过小，则最大功率点跟踪的速度较慢；如果选择的步长过大，则工作电压在光伏阵列最大工作电压附近的摆动幅度大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷提供一种用于太阳能光伏发电系统的MPPT控制装置及方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明一种用于太阳能光伏发电系统的MPPT控制装置，包括MPPT采样电路、驱动电路、电流采样电路以及电压采样电路，其中MPPT采样电路的输入端接光伏阵列的输出直流电压及输出电流端，电流采样电路的输入端接三相并网逆变器的输出端，电压采样电路的输入端接公用电网的三相电压输入端，驱动电路的输出端接三相并网逆变器的输入端，其特征在于还包括由MPPT变步长跟踪模块、PWM产生模块、电压电流双闭环控制模块和锁相环构成的DSP处理器，其中锁相环的输入端分别接电流采样电路以及电压采样电路的输出端，锁相环的输出端串接电压电流双闭环控制模块后接PWM产生模块的输入端，MPPT变步长跟踪模块的输入端接MPPT采样电路的输出端，MPPT变步长跟踪模块的输出端接PWM产生模块的输入端，PWM产生模块的输出端接驱动电路的输入端。

所述的一种用于太阳能光伏发电系统的MPPT控制装置的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤301：设置单位电压扰动值Δ、误差电压ε，同时初始化计数器Count及Count1；

步骤302：采用MPPT采样电路采集光伏阵列的输出电压及输出电流并经过MPPT变步长跟踪模块计算得到光伏阵列的输出功率P₁；

步骤303：对光伏阵列的输出电压施加一扰动值Δ*2^Count；

步骤304：采用MPPT采样电路采集施加扰动后的光伏阵列的输出电压及输出电流并经过MPPT变步长跟踪模块计算得到光伏阵列的输出功率P₂；

步骤305：当P₁＞P₂，跳转至步骤307；当P₁＜P₂，跳转至步骤306；

步骤306：将计数器Count1的值加1；

步骤307：将步骤303所述的电压扰动值取为原值的相反数，然后返回至步骤302；

步骤308：继续采用MPPT采样电路采集施加扰动后的光伏阵列的输出电压及输出电流并经过MPPT变步长跟踪模块计算得到光伏阵列的输出功率P₁；

步骤309：再对光伏阵列的输出电压施加一扰动值Δ*2^Count：

步骤310：采用MPPT采样电路采集施加扰动后的光伏阵列的输出电压及输出电流并经过MPPT变步长跟踪模块计算得到光伏阵列的输出功率P₂；

步骤311：当P₁＜P₂，跳转至步骤312；当P₁＞P₂，跳转至步骤315；

步骤312：将计数器Count1的值加1；

步骤313：当Count1＜3，则返回至步骤308；

步骤314：当Count1＞＝3，使计数器Count的值加1，然后返回至步骤308；

步骤315：将电压扰动值取为原值的相反数，并且将计数器Count1的值清零、计数器Count的值减1；

步骤316：当电压扰动值Δ*2^Count的绝对值大于误差电压ε，则跳转至步骤308；当电压扰动值Δ*2^Count的绝对值小于误差电压ε，则光伏阵列的实际输出电压已经位于最大功率点对应的输出电压U_PMAX附近，流程结束。

本发明的有益效果在于避免了现有最大功率点跟踪技术存在的跟踪速度慢、在最大工作电压附近摆动的现象。

附图说明

图1为本发明的原理方框图。

图2为本发明采用的电压扰动最大功率跟踪方法的原理示意图。

图3为本发明采用的变步长电压扰动MPPT方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

图1为本发明的原理方框图。如图所示，本发明的最大功率点跟踪(MPPT)控制装置1包括MPPT采样电路11、驱动电路12、电流采样电路13、电压采样电路14以及DSP处理器15。该DSP处理器15为TI公司型号为TMS320LF2812的DSP芯片，其包含MPPT变步长跟踪模块151、PWM产生模块152、电压电流双闭环控制模块153及锁相环模块154。

MPPT采样电路11采集光伏阵列的输出直流电压U_dc及输出电流I_dc，并且将该等采样信号送至DSP处理器15。电流采样电路13采集三相并网逆变器的输出电流I_a、I_b、I_c，并且将该电流采样信号送至DSP处理器15。电压采样电路14采集公用电网的三相电压U_a、U_b、U_c，并且将该电压采样信号送至DSP处理器15。DSP处理器15中的MPPT变步长跟踪模块151根据来自MPPT采样电路11的采样信号，使用本发明的改进变步长电压扰动法进行计算，并且将计算结果输出至PWM产生模块152。DSP处理器15中的锁相环模块154根据来自电流采样电路13及电压采样电路14的采样信号，对U_a相电压信号进行锁相，然后将电压及电流信号传递至电压电流双闭环控制模块153。电压电流双闭环控制模块153将电压信号及电流信号进行计算，并且将计算结果输出至PWM产生模块152。PWM产生模块152根据来自MPPT变步长跟踪模块151及电压电流双闭环控制模块153的信号，产生三相并网逆变器功率开关管的驱动信号。该驱动信号输出至驱动电路12，经隔离放大后施加至三相并网逆变器功率开关管。

图2为本发明采用的电压扰动最大功率跟踪方法的原理示意图。如图所示曲线为光伏阵列的输出电压U与输出功率P的关系，U-P曲线不是固定不变的，它随着日照强度和温度变化，但不管U-P曲线如何随外在因素变化，都具有如图2所示的大致形状。图中P_MAX为光伏阵列的最大输出功率点，U_PMAX为最大输出功率点对应的光伏阵列输出电压，U_oc为光伏阵列的的开路电压，U_dc为光伏阵列的工作电压。

最大功率点跟踪控制过程，就是光伏阵列工作电压U_dc的移动过程。如果光伏阵列工作电压大于最大输出功率点对应的光伏阵列输出电压U_PMAX，如图2中U_dc所示，判断dP/dU的极性小于0，U_dc按照图中所示的搜索方向B变化，即U_dc减小，直至减小到U_PMAX附近，由于U-P特性曲线在U_PMAX附近较为平坦，U_dc达到U_PMAX后，可能继续减小至U_PMAX的左侧，dP/dU的极性发生变化，即dP/dU大于0，此时U_dc应向反方向移动。如果光伏阵列工作电压小于最大输出功率点对应的光伏阵列输出电压U_PMAX，如图2中U_dc^*所示，U_dc按照图中所示的搜索方向A变化，即U_dc增大，直至增大到U_PMAX附近，由于U-P特性曲线在U_PMAX附近较为平坦，U_dc达到U_PMAX后，可能继续增大至U_PMAX的右侧，dP/dU的极性发生变化，即dP/dU小于0，此时U_dc应向反方向移动。因受到变量采样精度的限制，最终U_dc会在U_PMAX附近某一个范围内摆动，实现最大功率点的跟踪。

图3为本发明采用的变步长电压扰动MPPT方法的流程图。如图所示，该变步长电压扰动MPPT方法的特点在于，当扰动方向持续3次不变时，电压扰动值乘以2的指数倍增大，以达到快速追踪至最大功率点处。当U_dc在U_PMAX附近摆动时，电压扰动值除以2的指数倍减小，从而减小光伏阵列电压U_dc的摆动范围，使U_dc稳定于最大输出功率点对应的光伏阵列输出电压U_PMAX处。下面结合图2及图3详细的描述该变步长电压扰动MPPT方法的工作流程：

步骤301中，将单位电压扰动值Δ设置为e、将误差电压ε设置为k，其中e、k为可任意设定的常数，同时将计数器Count及Count1设置为零。步骤302中，检测此时刻光伏阵列的输出电压及输出电流，计算输出功率P₁。步骤303中，对光伏阵列的输出电压施加一扰动值Δ*2^Count，使光伏阵列输出电压增大或者减小。步骤304中，检测此时刻光伏阵列的输出电压及输出电流，计算输出功率P₂。步骤305中，比较输出功率P₁与P₂。如果P₁＞P₂，说明光伏阵列的实际输出电压离最大功率点对应的输出电压U_PMAX越来越远，跳转至步骤307。步骤307中，将电压扰动值取为原值的相反数，即令输出电压的变化方向相反，然后返回至步骤302。如果P₁＜P₂，光伏阵列的实际输出电压离最大功率点对应的输出电压U_PMAX越来越近，跳转至步骤306。步骤306中，将计数器Count1的值加1。步骤308中，继续检测此时刻光伏阵列的输出电压及输出电流，计算输出功率P₁。步骤309中，对光伏阵列的输出电压施加一扰动值Δ*2^Count，使光伏阵列输出电压继续增大或者减小。步骤310中，检测此时刻光伏阵列的输出电压及输出电流，计算输出功率P₂。步骤311中，比较输出功率P₁与P₂。如果P₁＜P₂，说明光伏阵列输出未达到最大功率点对应的输出电压，跳转至步骤312。步骤312中，将计数器Count1的值加1。步骤313中，判断计数器Count1的值是否达到3。如果Count1＜3，则返回至步骤308。如果Count1＞＝3，说明输出电压已经向同一个方向扰动3次，为了加快跟踪速度，应增加电压扰动值。步骤314中，使计数器Count的值加1，然后返回至步骤308。下次电压扰动时，扰动电压值Δ*2^Count变为原来的2倍。步骤311中，如果P₁＞P₂，说明光伏阵列的实际输出电压值已经位于最大功率点对应的输出电压U_PMAX的另一侧，跳转至步骤315。步骤315中，将电压扰动值取为原值的相反数，即令输出电压的变化方向相反，并且将计数器Couun1的值清零、计数器Count的值减1。减小计数器Count的值，可使电压扰动值Δ*2^Count减小，从而使得光伏阵列输出电压快速达到最大功率点对应的输出电压U_PMAX。步骤316中，判断电压扰动值Δ*2^Count的绝对值是否小于误差电压ε。如果电压扰动值Δ*2^Count的绝对值大于误差电压ε，则跳转至步骤308。如果电压扰动值Δ*2^Count的绝对值小于误差电压ε，说明光伏阵列的实际输出电压已经位于最大功率点对应的输出电压U_PMAX附近，可以认为实现了最大功率点跟踪，流程结束。