專利名稱：具有精確限壓限流及最大功率點跟蹤的變換器的控制方法
技術領域：
本發明涉及的是一種光伏發電技術的控制方法，具體是一種精確限壓限流功能的光伏電池最大功率跟蹤控制方法，屬于光伏發電技術領域。
背景技術：
現代社會的繁榮和發展是建立在大量使用化石燃料的基礎上。化石燃料屬于不可再生能源，它有限的存量無法維持人類社會的長遠發展，而且大量燃燒化石燃料破壞人類 現今的生存環境，對地球氣候產生負面影響。光伏電池通過光伏效應直接將太陽能轉化為電能，使用中無需消耗其它資源也不釋放包括二氧化碳在內的任何污染氣體，是無污染的可再生能源。由于光伏電池造價高效率低，人們根據光伏電池的物理特性開發了多種最大功率跟蹤方法，使光伏電池盡最大可能將太陽能轉化為電能，提高光伏電池的利用率。然而，當光伏電池輸出的能量大于其負載能夠吸收的功率時，多余的能量可能會對負載或者光伏電池變換器本身造成損傷。特別是在微型電網中使用時，不受控的輸出電壓或電流可能損壞整個網絡上的設備，使整個網絡崩潰。另外，光伏發電系統作為一個獨立電源工作時，也要求變換器在光伏電池提供功率充足時輸出指定的電壓或電流。為了實現這個目標，通常需要兩級變換器級聯工作，一級實現光伏電池的最大功率跟蹤，另一級實現輸出的精確限壓和限流。這樣導致系統成本升高，可靠性降低，發電效率降低，光伏電池利用率降低。
發明內容
本發明在使用一級DC/DC變換器功率電路的基礎上，將電壓控制、電流控制和最大功率跟蹤控制三種控制模式有機的結合起來實現了最大功率跟蹤條件下輸出的精確限壓和限流。本發明的目的是通過以下措施實現的
一種具有精確限壓限流及最大功率點跟蹤的變換器的控制方法，該方法包括以下步
驟
(I)電壓控制環節根據數字PI調節器的控制算法的差分方程，得到，
數字PI調節器輸出的變化量=(I)
增量式數字PI調節器的輸出為u(k) = uQ: - V} + trnfje}( 2 )
設定電壓控制環節的電壓給定值(如5V)，利用單片機的AD采樣來連續采集A與左-I時刻變換器的輸出電壓值即電壓采樣值，將其分別與所述的電壓給定值進行比較，即所述電壓給定值減去所述電壓采樣值得到電壓誤差信號值幻，e^-1)，代入(I)式來計算電壓調節器輸出的變化量Λ ⑷，再利用⑵式來計算電壓控制環節的輸出值 ⑷；其中，式(I)中e⑷分別是左、左-1時刻的電壓誤差信號值，矣、冬分別表示比例系數、積分系數，其數值分別為O. 429,0. 0451 ；
(2)電流控制環節設定電流控制環節的電流給定值(如5V),利用單片機AD采樣來連續采集A與時刻變換器的輸出電流值，然后分別與電流給定值做差比較得到電流誤差信號值幻，6認-1)，代入(3)式來計算電流調節器輸出的變化量Ai (幻，再利用
(4)式來計算電流控制環節的輸出值i⑷；其中式(3)中e⑷，eO-Ι)分別是々、左_1時刻的電流誤差信號值，矣、冬分別表示比例系數、積分系數，其數值分別為O. 339,0. 0168 ；
根據數字PI調節器的控制算法的差分方程，得到，
數字PI調節器輸出的變化量·. =kvl<k) --V}] + kie(k)(3) 增量式數字PI調節器的輸出為碌)=咐-1)+Δ咐)(4)
(3)最大功率點跟蹤控制環節通過單片機AD采樣來連續采集A-I與A時刻光伏電池的輸出電壓值和輸出電流值，計算當前時刻光伏電池的輸出功率/7(K)，然后對其施加擾動，再次計算擾動后的輸出功率/7 (B，然后比較擾動前后的功率數值變化，得出光伏電池工作
點需要變化的方向辦為PWM占空比的初始值，D1取凡的50% ；
若PQd彡八左-I)，則擾動后的功率值增加，即增加占空比Λ /，此時最大功率點跟蹤控制環節輸出的占空比值為D⑷=dl) + Λ i/ ;
若八左-1)，則擾動后的功率值減小，減小占空比Λ汄此時最大功率點跟蹤控制環節輸出的占空比值為D⑷二D {k-l)-Δ /；
其中Λi/為占空比變化值，若/彡/^-1)，則占空比變化值八^/為凡的1%;若/^)〈Z7(A-I)，則占空比變化值Λ /為A1的5% ;其中D(A) ,D{k~l)分別是K-I時刻最大功率點跟蹤控制環節輸出的PWM占空比值，凡是PWM占空比的最大值，其數值為單片機PWM占空比寄存器的最大值；
(4)將電壓控制環節的輸出值 (幻與電流控制環節輸出值i(i)進行比較，取其中較小的數值；然后此較小數值再與最大功率點跟蹤控制環節輸出的PWM占空比值D (幻進行比較，二者中較小的數值送到單片機的PWM信號寄存器，產生PWM驅動信號，進而去控制功率電路中功率管的導通和關斷，實現對變換器的電壓、電流以及光伏電池的最大功率點跟蹤控制。所述的單片機型號為dsPIC30F2020。本控制方法由三個基本的控制部分構成1、電壓控制部分，即根據給定電壓和輸出電壓反饋值調節功率電路中電感電流，實現對輸出電壓的閉環控制；2、電流控制部分，即根據給定電流和輸出電流反饋值調節功率電路中電感電流，實現對輸出電流的閉環控制；
3、最大功率跟蹤控制部分，即根據光伏電池的輸出電壓和輸出電流調節PWM占空比使得光伏電池能夠輸出最大功率。在系統協調控制時，電壓控制和電流控制兩部分的調節器輸出的較小值需要與最大功率點跟蹤控制輸出值比較，用最小值來實現對占空比的調節。本發明具有如下優點
本發明通過一級DC/DC變換器可以實現光伏發電的最大功點率跟蹤控制、輸出電壓的精確限壓以及輸出電流的精確限流；相對于普通的兩級變換器實現的光伏發電系統而言，即通常一級來實現最大功率點跟蹤控制，另一級來實現電壓、電流控制，本發明可以降低系統成本，提高系統效率，增強系統的可靠性。
圖I光伏發電系統結構圖。圖2三相交錯并聯的BUCK變換器電路結構圖。圖3電壓閉環的控制算法框圖。圖4電流閉環的控制算法框圖。圖5系統輸出特性圖。圖6系統總體軟件控制方法流程圖。
具體實施例方式獨立光伏發電系統結構如圖I所示，包括光伏電池、DC/DC變換器、控制器和直流負載，或還可包括有蓄電池。DC/DC變換器采用三個BUCK變換器，BUCK變換器的功率管選用型號為FF200R12KT4的英飛凌IGBT模塊。每個變換器的驅動信號占空比大小相等，且相互之間相位差為120°。控制器dsPIC30F2020單片機。本發明的光伏發電變換器功率電路采用三相交錯并聯的Buck變換器，如圖2所示。控制器通過改變開關管Q的PWM占空比來調節從光伏電池側傳遞到Buck變換器負載側的能量。本發明的控制方法的基本原理控制器中有三個控制部分，分別為最大功率跟蹤部分、電壓控制部分和電流控制部分，其中電壓控制部分實現輸出的精確限壓，電流控制部分實現輸出電流的精確限流。圖3所示為電壓閉環的控制框圖，圖4所示為電流閉環的控制框圖，電流控制部分與電壓控制部分有著相類似結構，這兩個部分是為了實現精確限壓或精確限流。當變換器輸入功率即光伏電池輸出的最大功率無法滿足負載需要時，將會出現輸出反饋電壓小于給定電壓并且輸出反饋電流小于給定電流，這時兩個調節器都會快速的飽和。此時，開關管的PWM占空比的大小只取決于PWM寄存器輸入的占空比，而這個占空比的大小由最大功率跟蹤部分決定。最大功率跟蹤模塊采樣光伏電池的輸出電壓和電流，并根據光伏電池的自身特性調節PWM占空比的大小，使得光伏電池工作在最大功率點。本控制方法的具體實施步驟系統上電后，單片機控制電路正常運行，單片機完成初始化，開始執行軟件程序；通過單片機的AD采樣單元來采集電路的電壓和電流數值，為軟件計算奠定基礎，在主循環中包括電壓控制環節子程序，電流控制環節子程序以及最大功率點跟蹤控制環節子程序。本發明具有精確限壓限流及最大功率點跟蹤的變換器的控制方法，該方法包括以下步驟
1.1電壓控制環節根據數字PI調節器的控制算法的差分方程，得到，
數字 PI 調節器輸出的變化量(A) = We(Ar)-e(A-1)]+ Ae(Ar)(I)
增量式數字PI調節器的輸出為uik) = u(Jc-\) + hm(2)
設定電壓控制環節的電壓給定值(如5V)，利用單片機的AD采樣來連續采集A與左-I時刻變換器輸出電壓值，將其與所述的電壓給定值進行比較，即所述給定值減去電壓采樣值得到誤差信號幻，代入(I)式來計算電壓調節器輸出的變化量△ (幻，再利用(2)式來計算電壓控制環節的輸出值"⑷，其中，e⑷，e(hl)分別是Khl時刻的電壓誤差信號值，左=1，···，!!，…；&、之分別表示比例系數、積分系數，其數值分別為O. 429、O.0451。輸出電壓的調節過程如下，如果輸出電壓增加，超過設定電壓，則AD采樣的電壓信號的數值就會增加，與給定電壓值比較，誤差信號就會變為負值，調節器的輸出值就會減小，PWM驅動信號的占空比就會減小，輸出電壓就會下降，直至穩定在設定值；反之，如果輸出電壓下降，小于設定電壓，則AD采樣的輸出電壓值就會小于設定電壓，比較得到的電壓誤差信號為正值，調節器的輸出值就會增加，PWM驅動信號的占空比就會增加，輸出電壓就會增加，直至穩定在輸出值。即通過改變調節器的輸出值來改變PWM驅動信號的導通時間，就可以改變變換器中功率管的導通時間，最終實現對輸出電壓的調節，保持輸出電壓的穩定。
I. 2電流控制環節設定電流控制環節的電流給定值(如5V),利用單片機AD采樣來連續采集A與Pl時刻變換器輸出電流值，然后與電流給定值做差比較得到電流誤差信號e (幻，代入(3)式來計算電流調節器輸出的變化量Ai (幻，再利用(4)式來計算電流控制環節的輸出值i⑷，其中e⑷，dhl)分別是時刻的電流誤差信號值，k=l, ...，n，... Ap、之分別表示比例系數、積分系數，其數值分別為O. 339、0. 0168。根據數字PI調節器的控制算法的差分方程，得到，
數字PI調節器輸出的變化量拉說=- s(*-l)] + ^e(i)(3)
增量式數字pi調節器的輸出為(4)1.3最大功率點跟蹤控制環節通過單片機AD采樣來連續采集A-I與A時刻光伏電池的輸出電壓值和輸出電流值，來計算當前時刻光伏電池的輸出功率/7^-I)，然后對其施加擾動，再次計算擾動后的輸出功率/7 (B，然后比較擾動前后的功率數值變化，得出光伏電池工作
點需要變化的方向；
若P(Ji) ^ /^以-1)，則擾動后的功率值增加，說明擾動方向是向最大功率點運動，則繼
續按
照上次的變化施加擾動，即增加占空比Λ A此時最大功率點跟蹤控制環節輸出的占空比值為D⑷=Z^(Fl) + Λ V;
若P(M-I)，則擾動后的功率值減小，說明擾動方向遠離最大功率，則改為與上次變化相反的方向施加擾動，即減小占空比Λ /，此時最大功率點跟蹤控制環節輸出的占空比_ _=D{k-\)- Nd '
其中左=1，…，n，…；Λ /為占空比變化值，若/，則占空比變化值Λ i/為A1的1%;若/^)〈 /^-1)，則占空比變化值At/為凡的5%;其中D⑷，dl)分別是左，k-l時刻最大功率點跟蹤控制環節輸出的PWM占空比值，凡是PWM占空比的最大值，其數值為單片機PWM占空比寄存器的最大值W1是PWM占空比的初始值，其數值為凡的50%。2電壓、電流以及最大功率點跟蹤控制總體協調控制將電壓控制環節的計算輸出值《(幻與電流控制環節計算輸出值id)進行比較，取其中較小的數值；然后此較小數值再與最大功率點跟蹤控制環節計算的輸出值D(幻進行比較，二者中較小的數值送到單片機的PWM信號寄存器，來產生PWM驅動信號，進而去控制功率電路中功率管的導通和關斷，最終實現對變換器的電壓、電流以及光伏電池的最大功率點跟蹤控制。系統輸出特性如圖5所示，其中橫坐標表示輸出電流，縱坐標表示輸出電壓，橫、縱坐標所圍成的面積表示輸出功率。2. I光伏電池的輸出功率大于負載功率
(I)如果負載輸出電流較小且小于設定值時，即通過AD采樣得到的變換器輸出電流值，然后判斷與設定值的大小，若小于設定值，則負載功率較小，系統工作在穩壓狀態，如圖5中的a段所示，其縱坐標值Uset為電壓設定值，系統的輸出電壓數值與電壓設定值相等，表示系統工作在穩壓狀態，此時電流控制環節不起作用，最大功率跟蹤控制環節不起作用，電壓控制環節起作用，具體工作如I. I中所述，這時的變換器輸出功率是由 給定的輸出電壓和負載大小來決定，而作為光伏電池最大功率跟蹤依據的光伏電池輸出功率即變換器輸入功率與變換器輸出功率只相差一個變換器效率。(2)如果負載電流很大超過給定電流值時，系統工作在穩流狀態，圖5中的c段，其橫坐標/srt為輸出電流設定值，系統的輸出電流與電流設定值相等，表示系統工作在穩流狀態，此時只有電流控制環節起作用，電壓控制環節和最大功率跟蹤控制環節不起作用，輸出電流采樣值與設定值進行比較，再經過電流控制環節的計算，保證輸出電流的穩定，具體工作如I. 2中所述。2. 2光伏電池的輸出功率不大于負載功率
如果負載要求的功率不小于光伏電池提供的最大功率時，即通過AD采樣變換器的輸出電壓、電流值來計算輸出功率，然后與光伏電池的輸出功率進行比較來確定功率大小。系統工作在圖5中b曲線，表示光伏電池的最大輸出功率叉ax，是由光伏電池的非線性的輸出特性決定，而非直線，輸出電壓和輸出電流的反饋值都不能達到給定值，電壓、電流調節器的輸出值達到飽和值，其值大于最大功率控制環節的輸出值，此時最大功率控制環節起作用，利用本文的MPPT控制算法，計算出最大功率跟蹤控制環節的調節器輸出值，進而去控制PWM占空比的變化，尋找到光伏電池最大功率點，具體工作如I. 3中所述。當負載所要求功率與光伏最大輸出功率剛好一致的時候，其工作點應該在圖5中的a段和b段交點或是b段與c段的交點處。這時系統會在兩種模式間頻繁的切換，但實際上最大功率跟蹤的調節周期要遠大于電壓和電流控制部分的調節周期，所以在兩次最大功率跟蹤調節的過程中電壓或電流調節已經完成，并不會相互影響導致系統不穩定。
權利要求
1.一種具有精確限壓限流及最大功率點跟蹤的變換器的控制方法，該方法包括以下步驟 (I)電壓控制環節根據數字PI調節器的控制算法的差分方程，得到， 數字PI調節器輸出的變化量Aa(A) = k9[s(k)-e(k-1)] + k^k)(I) 增量式數字PI調節器的輸出為 MkXk-Xj + huije)⑵ 設定電壓控制環節的電壓給定值，利用單片機的AD采樣來連續采集A與hi時刻變換器的輸出電壓值即電壓采樣值，將其分別與所述的電壓給定值進行比較，即所述電壓給定值減去所述電壓采樣值得到電壓誤差信號值幻， Κ^-l)，代入(I)式來計算電壓調節器輸出的變化量Λ ⑷，再利用⑵式來計算電壓控制環節的輸出值 ⑷；其中，式(I沖e{k),e{k~l)分別是時刻的電壓誤差信號值，矣、冬分別表示比例系數、積分系數，其數值分別為O. 429、O. 0451 ； (2)電流控制環節設定電流控制環節的電流給定值(如5V),利用單片機AD采樣來連續采集A與時刻變換器的輸出電流值，然后分別與電流給定值做差比較得到電流誤差信號值幻，6認-1)，代入(3)式來計算電流調節器輸出的變化量Ai (幻，再利用(4)式來計算電流控制環節的輸出值i⑷；其中式(3)中e⑷，eO-Ι)分別是々、左_1時刻的電流誤差信號值，矣、冬分別表示比例系數、積分系數，其數值分別為O. 339,0. 0168 ； 根據數字PI調節器的控制算法的差分方程，得到， 數字PI調節器輸出的變化量:拉慶)=kf[e(k) - e(k - )} +(3) 增量式數字PI調節器的輸出為(4) (3)最大功率點跟蹤控制環節通過單片機AD采樣來連續采集A-I與A時刻光伏電池的輸出電壓值和輸出電流值，計算當前時刻光伏電池的輸出功率/7(K)，然后對其施加擾動，再次計算擾動后的輸出功率/7 (B，然后比較擾動前后的功率數值變化，得出光伏電池工作 點需要變化的方向辦為PWM占空比的初始值，D1取凡的50% ； 若PQd彡八左-I)，則擾動后的功率值增加，即增加占空比Λ /，此時最大功率點跟蹤控制環節輸出的占空比值為D⑷=dl) + Λ i/ ; 若八左-1)，則擾動后的功率值減小，減小占空比Λ汄此時最大功率點跟蹤控制環節輸出的占空比值為D⑷二D {k-l)-Δ /； 其中Λi/為占空比變化值，若/彡/^-1)，則占空比變化值八^/為凡的1%;若/^)〈Z7(A-I)，則占空比變化值Λ /為A1的5% ;其中D(A) ,D{k~l)分別是K-I時刻最大功率點跟蹤控制環節輸出的PWM占空比值，凡是PWM占空比的最大值，其數值為單片機PWM占空比寄存器的最大值； (4)將電壓控制環節的輸出值 (幻與電流控制環節輸出值i(i)進行比較，取其中較小的數值；然后此較小數值再與最大功率點跟蹤控制環節輸出的PWM占空比值D (幻進行比較，二者中較小的數值送到單片機的PWM信號寄存器，產生PWM驅動信號，進而去控制功率電路中功率管的導通和關斷，實現對變換器的電壓、電流以及光伏電池的最大功率點跟蹤控制。
2.根據權利要求I所述的控制方法，其特征在于所述的單片機型號為dsPIC30F2020。
全文摘要
本發明公開了一種具有精確限壓限流及最大功率點跟蹤的變換器的控制方法。該方法中電壓和電流控制部分可以實現變換器輸出電壓和電流的精確調節和限制，最大功率跟蹤控制部分實現光伏電池的最大功率跟蹤，即在同一級DC/DC變換器上實現了限壓、限流以及最大功率跟蹤三種不同工作模式的控制策略和不同工作模式的協調與自動切換。當負載所需功率大于當前條件下電池功率時，最大功率跟蹤部分控制光伏電池輸出最大功率；當負載所需功率小于光伏電池最大輸出功率時，電壓和電流控制部分對輸出電壓或電流實現快速精確控制。
文檔編號H02M3/155GK102843035SQ20121034845
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月19日 優先權日2012年9月19日
發明者陳文波 申請人:南京國臣信息自動化技術有限公司