應用于光伏電池最大功率跟蹤的分段自適應爬山系統的制作方法

專利名稱：應用于光伏電池最大功率跟蹤的分段自適應爬山系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及太陽能光伏電池的控制技術，特別涉及一種應用于光伏電池最大
功率跟蹤的分段自適應爬山系統。
背景技術：
隨著社會經濟的高速發展，能源和資源的消耗是越來越快。節約能源，保護環境已 經成為可持續發展的焦點話題，人類的注意力就由常規能源轉移到了那些可再生能源身上 了，比如太陽能、風能、潮汐能等。隨著太陽能技術的飛速發展，太陽能是一種取之不盡，用 之不竭的綠色能源，太陽能儼然已經成為科研和生產各個領域的熱點。 由不同溫度不同日照強度下光伏電池的I-V曲線可知，溫度主要影響光伏電池的 輸出電壓，而日照強度主要影響其輸出電流。在不同的日照強度和環境溫度下，其輸出特性 曲線不同，且均為非線性。當太陽能輻射度和電池溫度變化時，光伏電池輸出電壓和輸出 電流呈非線性關系變化，其輸出功率也隨之改變。因此可以看出，每一個環境狀態下，系統 都會有一個最大功率點(MaximumPower Point,簡稱MPP)，且此最大功率點隨環境狀態變化 而相應變化。為了使光伏電池在不同溫度、不同輻照度條件下始終工作于該外界條件下的 最佳工作點，當最大功率點發生漂移時，我們采用一定的方法使光伏電池始終工作于最大 功率點處，稱之為最大功率跟蹤技術，即MPPT技術。人們對最大功率跟蹤技術進行了深入 研究，現已獲得了多種算法，目前使用最多的是擾動觀察法，如圖1的流程所示，通過將相 鄰兩時刻的功率差與設定的常數e進行比較，從而跟蹤到光伏電池的最大功率點，這種方 法簡單，但是其調整占空比D時存在調整步長大小選擇的問題，即步長過小時，跟蹤時間較 長，影響系統的動態響應特性；而步長過大時，輸出功率波動加大，其平均值大大小于最大 值，穩態誤差變大；這就難以保證系統的動態和穩態性能。

實用新型內容本實用新型的目的在于克服現有技術的不足，提供一種應用于光伏電池最大功率 跟蹤的分段自適應爬山系統，該系統改善了 MPPT跟蹤速度和跟蹤精度之間的矛盾，能夠快 速準確的追蹤到光伏電池最大輸出功率。 本實用新型通過以下技術方案實現一種應用于光伏電池最大功率跟蹤的分段自 適應爬山系統，包括依次電路連接的光伏電池、DC/DC變換器和鉛酸蓄電池，DC/DC變換器 和鉛酸蓄電池之間的電路設有電壓檢測模塊和電流檢測模塊，電壓檢測模塊和電流檢測模 塊的出口端分別與微處理器連接，微處理器的出口端通過隔離/驅動電路與DC/DC變換器 連接。 所述微處理器為DSP芯片。 所述微處理器包括A/D轉換模塊、功率計算模塊、分析比較模塊、最大功率區處理 模塊、自適應爬山區處理模塊、大步長逼近區處理模塊和P麗輸出端口，其中A/D轉換模塊 通過信號調理電路分別外接電壓檢測模塊和電流檢測模塊，按照信號方向，A/D轉換模塊依次連接功率計算模塊、分析比較模塊和P麗輸出端口 ，分析比較模塊和P麗輸出端口之間分
別設有并聯的最大功率區處理模塊、自適應爬山區處理模塊和大步長逼近區處理模塊。 所述電壓檢測模塊為電壓傳感器，所述電流檢測模塊為電流傳感器。 本實用新型通過以上系統可以實現一種應用于光伏電池最大功率跟蹤的分段自
適應爬山法，包括以下步驟 (1)初始化系統，設定初始變量，包括常數M、常數^、常數e2、可變常量m、slope二 +1和Vmax ;同時將光伏電池的輸出功率分成大步長逼近區、自適應爬山區和最大功率區； 其中，常數M的值決定了系統的柔韌性；常數A和e2的值決定了系統的跟蹤精度； slope為占空比D步長a的符號位，其值決定占空比D的變化方向，取+1或-1，當功率減小 時，slope取-1，反之，slope取+1 ;Vmax為系統輸出電壓的最大值； (2)測量光伏電池在k時刻輸出的電壓值Vk和電流值Ik并通過信號調理電路送 至系統中微處理器的A/D轉換模塊，然后功率計算模塊根據公式P = VX I計算k時刻的功 率值Pk，再根據公式I API = lPk-P(h) I計算出k時刻和(k-1)時刻的功率變化值I AP| ; (3)微處理器的分析比較模塊將I AP|與A進行比較，若I AP|《 則此時光伏 電池的輸出功率在其最大功率區內，最大功率區處理模塊通過P麗端口輸出信號，系統返 回步驟(2)進行下一時刻的功率變化值測量和計算；若I AP| > 則此時光伏電池的輸出 功率在其自適應爬山區或大步長逼近區，系統進入步驟(4)繼續計算； (4)將I AP/a(k—d I與e2進行比較，若I AP/a(k—d |《e2，則此時光伏電池的輸出功 率在其自適應爬山區，自適應爬山區處理模塊通過P麗端口輸出信號，系統進入步驟(5)進 行自適應爬山區占空比的調節；若I AP/a(k—J > ^，則此時光伏電池的輸出功率在其大步 長逼近區，大步長逼近區處理模塊通過P麗端口輸出信號，系統進入步驟(6)進行大步長逼 近區占空比的調節； (5)判斷AP是否大于0，若AP > O，則slope = +1 ;若AP < O，則slope = _1 ; 然后改變占空比Dk，得到(k+1)時刻的占空比D(k+d并經過隔離/驅動電路送至DC/DC變換 器，最后返回步驟(2)進行下一時刻的功率變化值測量和計算； (6)判斷Vk與Vmax的大小關系，若Vk > Vmax，則slope = _1 ;若Vk < Vmax，則slope
=+1 ;然后改變占空比Dk，得到(k+1)時刻的占空比D(k+d并經過隔離/驅動電路送至DC/
DC變換器，最后返回步驟(2)進行下一時刻的功率變化值測量和計算； (7)重復步驟(2)至步驟(6)，直至跟蹤到光伏電池的最大輸出功率。 步驟(4)中所述a(k—d為(k-1)時刻占空比D(k—d的調整步長，通過以下公式進行
自動在線調整
<formula>formula see original document page 4</formula> 式中，a(k)為k時刻占空比Dk的調整步長，O《a(k)《1 ; AP為光伏電池在相鄰兩 時刻的功率變化值；M為常數。 步驟(2)中所述電壓值Vk通過系統中的電壓檢測模塊測量得到，所述電流值Ik通
過系統中的電流檢測模塊測量得到。 步驟(5)和(6)中占空比D(k+1)均通過公式
<formula>formula see original document page 4</formula> 計算得到。[0025] 本實用新型應用于光伏電池最大功率跟蹤的分段自適應爬山法，其工作原理是 光伏電池的輸出功率隨溫度和光強的變化而變化，一般來說，光伏電池陣列輸出功率隨著 溫度的上升而下降，隨著光強的增強而增大；由于溫度和光強的變化是隨機的，因此本實用 新型將某一時刻的光伏電池陣列的P-U曲線分為三個區域大步長逼近區、自適應爬山區 以及最大功率區；然后通過改變不同區域的占空比，從而改善對最大輸出功率點的追蹤速 度和追蹤范圍。 與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果 1、本實用新型的分段自適應爬山系統加快了跟蹤速度，提高系統抗干擾性。由于 該方法將對光伏電池的最大功率跟蹤過程分為三部分，在系統處于大步長逼近區域時，僅 通過光伏電池端的電壓即可判斷系統逼近方向和步長，除可加快了跟蹤速度，還可在外界 環境有較大變化或者系統受到干擾時以最快速度重新到達自尋優區，防止最大功率跟蹤在 方向和大小上的誤判，提高系統抗干擾性。 2、本實用新型實現的分段自適應爬山法可加快其系統最大功率點自尋優過程。系 統可以根據光伏電池的輸出與最大功率點的位置自動改變占空比的步長，從而可以自動調 節占空比改變其步長，加快自尋優過程。 3、本實用新型實現的分段自適應爬山法減小了其系統在MPP(最大功率點)點處 的震蕩。當系統工作于最大功率點附近一個較小區域時，認為系統已處于MPP點處，減小系 統在最大功率點附近的震蕩。

圖1是現有擾動觀察法的流程示意圖。 圖2是本實用新型實現的分段自適應爬山法的流程示意圖。 圖3是本實用新型的分段自適應爬山系統的結構示意圖。 圖4是本實用新型中光伏電池輸出功率的分區示意圖。 圖5是本實用新型中光伏電池輸出功率P與占空比D的關系曲線示意圖。 圖6是本實用新型的分段自適應爬山系統結構中微處理器的內部結構示意圖。
具體實施方式下面結合實施例及附圖，對本實用新型作進一步的詳細說明，但本實用新型的實
施方式不限于此。 實施例 本實施例一種應用于光伏電池最大功率跟蹤的分段自適應爬山系統，如圖3所 示，包括依次電路連接的光伏電池、DC/DC變換器和鉛酸蓄電池，DC/DC變換器和鉛酸蓄電 池之間的電路設有電壓檢測模塊和電流檢測模塊，電壓檢測模塊和電流檢測模塊的出口端 分別與微處理器連接，微處理器的出口端通過隔離/驅動電路與DC/DC變換器連接。 所述微處理器為DSP芯片。 其中微處理器為DSP芯片，采用TI公司的TMS320LF2407A型DSP(數字信號處理 器)芯片；DC/DC變換器采用BOOST電路，BOOST電路中的開關管采用絕緣柵雙極型晶體管 IGBT ;電壓檢測模塊采用CHV-25P閉環霍爾電壓檢測模塊；電流檢測模塊采用CSM005A霍爾閉環電流檢測模塊；系統中的P麗調制頻率為20KHZ。 微處理器的內部結構如圖6所示，包括A/D轉換模塊、功率計算模塊、分析比較模 塊、最大功率區處理模塊、自適應爬山區處理模塊、大步長逼近區處理模塊和P麗輸出端 口 ，其中A/D轉換模塊通過信號調理電路分別外接電壓檢測模塊和電流檢測模塊，按照信 號方向，A/D轉換模塊依次連接功率計算模塊、分析比較模塊和P麗輸出端口，分析比較模 塊和P麗輸出端口之間分別設有并聯的最大功率區處理模塊、自適應爬山區處理模塊和大 步長逼近區處理模塊。 電壓檢測模塊為電壓傳感器，電流檢測模塊為電流傳感器。 本實施例中光伏電池陣列經過DC/DC轉換器的電路后，其電流和電壓分別經過電 流檢測模塊和電壓檢測模塊，同時將電流電壓轉化為小于5V的電壓信號，然后該組信號送 入DSP的A/D轉換模塊，由功率計算模塊和分析對比模塊依次對輸入的電流和電壓信號進 行分析處理，再由DSP的P麗輸出端口產生P麗波，經過隔離/驅動電路后，驅動DC/DC變 換器(BOOST電路)中的IGBT開關管，通過調整開關管的占空比來調節光伏電池陣列的輸 出，從而實現對光伏電池陣列最大輸出功率的跟蹤控制。 通過以上系統可實現一種應用于光伏電池最大功率跟蹤的分段自適應爬山法，如 圖2所示，包括以下步驟 (1)初始化系統，設定初始變量，包括常數M、常數^、常數e2、可變常量m、slope = +1和Vmax ;同時將光伏電池的輸出功率分成如圖4所示的大步長逼近區1和6、自適應爬山 區2和5、最大功率區3和4; 其中，常數M的值決定了系統的柔韌性；常數ei和e2為的值決定了系統的跟蹤精 度；slope為占空比D步長a的符號位，其值決定占空比D的變化方向，取+1或-l，如圖5 所示，當功率減小時，slope取-1，反之，slope取+1 ;Vmax為系統輸出電壓的最大值； (2)測量光伏電池在k時刻輸出的電壓值Vk和電流值Ik并通過信號調理電路送 至系統中微處理器的A/D轉換模塊，然后功率計算模塊根據公式P = VX I計算k時刻的功 率值Pk，再根據公式I API = lPk-P(H) I計算出k時刻和(k-1)時刻的功率變化值I AP| ; (3)微處理器的分析比較模塊將I AP|與A進行比較，若I AP|《 則此時光伏 電池的輸出功率在其最大功率區內，最大功率區處理模塊通過P麗端口輸出信號，系統返 回步驟(2)進行下一時刻的功率變化值測量和計算；若I AP| > 則此時光伏電池的輸出 功率在其自適應爬山區或大步長逼近區，系統進入步驟(4)繼續計算； (4)將I AP/a(k—d I與e2進行比較，若| AP/a(k—1} |《e2，則此時光伏電池的輸出功 率在其自適應爬山區，自適應爬山區處理模塊通過P麗端口輸出信號，系統進入步驟(5)進 行自適應爬山區占空比的調節；若I AP/a(k—J > ^，則此時光伏電池的輸出功率在其大步 長逼近區，大步長逼近區處理模塊通過P麗端口輸出信號，系統進入步驟(6)進行大步長逼 近區占空比的調節； (5)判斷A P是否大于0，若A P > 0，貝U slope = +1 ;若A P < 0，貝U slope = _1 ; 然后改變占空比Dk，得到(k+1)時刻的占空比D(k+D并經過隔離/驅動電路送至DC/DC變換 器，最后返回步驟(2)進行下一時刻的功率變化值測量和計算； (6)判斷Vk與V隨的大小關系，若Vk > V隨，則slope = _1 ;若Vk < V隨，則slope =+1 ;然后改變占空比Dk，得到(k+1)時刻的占空比D(k+D并經過隔離/驅動電路送至DC/DC變換器，最后返回步驟(2)進行下一時刻的功率變化值測量和計算； (7)重復步驟(2)至步驟(6)，直至跟蹤到光伏電池的最大輸出功率。 步驟(4)中所述a(k—d為(k-l)時刻占空比D(k—d的調整步長，通過以下公式進行
自動在線調整 a(k+1) = M| AP|/a(k); 式中，a(k)為k時刻占空比Dk的調整步長，O《a(k)《1 ; AP為光伏電池在相鄰兩 時刻的功率變化值；M為常數。 步驟(2)中電壓值Vk通過系統中的電壓檢測模塊測量得到，電流值Ik通過系統中 的電流檢測模塊測量得到。 步驟(5)和(6)中占空比D(k+1)均通過公式 D(k+1) = Dk+a (k) slope 計算得到。 本實施例應用于光伏電池最大功率跟蹤的分段自適應爬山法，其工作原理是光 伏電池的輸出功率隨溫度和光強的變化而變化，一般來說，光伏電池陣列輸出功率隨著溫 度的上升而下降，隨著光強的增強而增大；由于溫度和光強的變化是隨機的，因此本實施例 中將某一時刻的光伏電池陣列的P-U曲線分為三個區域大步長逼近區、自適應爬山區以 及最大功率區；然后通過改變不同區域的占空比，從而改善對最大輸出功率點的追蹤速度 和追蹤范圍。 如上所述，便可較好地實現本實用新型，上述實施例僅為本實用新型的較佳實施 例，并非用來限定本實用新型的實施范圍；即凡依本實用新型內容所作的均等變化與修飾， 都為本實用新型權利要求所要求保護的范圍所涵蓋。
權利要求應用于光伏電池最大功率跟蹤的分段自適應爬山系統，其特征在于，包括依次電路連接的光伏電池、DC/DC變換器和鉛酸蓄電池，DC/DC變換器和鉛酸蓄電池之間的電路設有電壓檢測模塊和電流檢測模塊，電壓檢測模塊和電流檢測模塊的出口端分別與微處理器連接，微處理器的出口端通過隔離/驅動電路與DC/DC變換器連接。
2. 根據權利要求1所述應用于光伏電池最大功率跟蹤的分段自適應爬山系統，其特征 在于，所述微處理器為DSP芯片。
3. 根據權利要求1所述應用于光伏電池最大功率跟蹤的分段自適應爬山系統，其特征 在于，所述微處理器包括A/D轉換模塊、功率計算模塊、分析比較模塊、最大功率區處理模 塊、自適應爬山區處理模塊、大步長逼近區處理模塊和P麗輸出端口 ，其中A/D轉換模塊通 過信號調理電路分別外接電壓檢測模塊和電流檢測模塊，按照信號方向，A/D轉換模塊依次 連接功率計算模塊、分析比較模塊和P麗輸出端口 ，分析比較模塊和P麗輸出端口之間分別 設有并聯的最大功率區處理模塊、自適應爬山區處理模塊和大步長逼近區處理模塊。
4. 根據權利要求1所述應用于光伏電池最大功率跟蹤的分段自適應爬山系統，其特征 在于，所述電壓檢測模塊為電壓傳感器，所述電流檢測模塊為電流傳感器。
專利摘要本實用新型提供一種應用于光伏電池最大功率跟蹤的分段自適應爬山系統，包括依次電路連接的光伏電池、DC/DC變換器和鉛酸蓄電池，DC/DC變換器和鉛酸蓄電池之間的電路設有電壓檢測模塊和電流檢測模塊，電壓檢測模塊和電流檢測模塊的出口端分別與微處理器連接，微處理器的出口端通過隔離/驅動電路與DC/DC變換器連接；系統使用時通過對光伏電池輸出功率進行分區，然后通過將相鄰兩時刻的功率差與設定值進行比較，找出當前功率所在的區域，再調節占空比進行下一時刻功率測量，直到找出最大功率點。本實用新型加快了最大功率點的跟蹤速度，提高系統抗干擾性，也加快了系統最大功率點自尋優過程，同時減小了其系統在最大功率點處的震蕩。
文檔編號H01L31/042GK201450012SQ200920061869
公開日2010年5月5日 申請日期2009年8月5日 優先權日2009年8月5日
發明者孫靜, 康龍云, 朱洪波, 王新運, 鐘長藝 申請人:華南理工大學