防止光伏功率點震蕩的充電控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種防止光伏功率點震蕩的充電控制方法，其特征在于：提供一光伏充電器，采用雙環控制，內環為電流環，外環根據光伏充電器輸出電壓Ubuck選擇MPPT電壓環或穩壓電壓環。本發明的技術方案對于開關管電路，傳輸同樣功率時，高電壓小電流硬件開關的損耗要比低電壓大電流硬開關的損耗低的多；可以避免充電器輸出穩壓狀態下光伏功率點在曲線左側震蕩或者卡死的狀態，提高穩壓精度；在電池電壓未達到穩壓點，控制器可將光伏功率調節到最大功率點，盡可能的利用光伏能量;在電池電壓跌落到穩壓下限或升高到穩壓上限時再進行電壓控制切換，避免造成光伏功率點震蕩，有效控制電池電壓紋波，使光伏充電器輸出電壓在穩態時精度高。
【專利說明】
防止光伏功率點震蕩的充電控制方法
技術領域
[0001] 本發明屬于光伏發電系統電池充電控制技術，具體涉及一種防止光伏功率點震蕩 的充電控制方法。
【背景技術】
[0002] 通常，光伏發電系統采用BUCK降壓電路對電池進行充電，只有當光伏輸出電壓高 于電池電壓才能對電池充電，充電方法一般采用最大功率點跟蹤、恒壓均充和恒壓浮充三 段式對電池進行充電。當電池工作在恒壓均充或恒壓浮充且光伏輸入能量充足時，光伏功 率點可穩定工作在光伏P-V曲線最大功率點右側；當光伏能量突然減少、負載突然增大或者 是光伏極板溫度變化使開路電壓變大時，光伏功率點很有可能跳到光伏Ρ-ν曲線最大功率 點的左側。
[0003] 如圖1所示光伏P-V曲線，以光伏最大功率點將光伏P-V曲線劃分為左側和右側，對 于光伏充電器為BUCK電路的光伏系統，當光伏功率點位于左側時，占空比與光伏功率成負 相關關系，當光伏功率點位于右側時，占空比與光伏輸出功率成正相關關系;且光伏功率與 充電器輸出電壓關系為正相關。由此可知，光伏功率點位于左側時，占空比與充電器輸出電 壓關系為負相關關系;光伏功率點位于右側時，占空比與充電器輸出電壓關系為正相關。
[0004] 當電池處于恒壓充電時，光伏功率點通常在右側，常規的穩壓控制以充電器輸出 電壓作為調節器的反饋信號，當充電器實際輸出電壓大于穩壓值時，為降低充電器輸出電 壓，則控制輸出的占空比減小，對于光伏系統，占空比越小，光伏輸出功率越低，因此充電器 輸出電壓降低；當充電器實際輸出電壓低于穩壓值時，貝U加大占空比，光伏輸出功率增大， 控制使得充電器輸出電壓增大，最終實現充電器輸出電壓穩定在設定值。一旦光伏功率點 在光伏p-v曲線左側，此時占空比與充電器輸出電壓成負相關，若米用與右側相同的穩壓控 制策略，當充電器實際輸出電壓大于穩壓值時，控制輸出的占空比減小，光伏輸出功率增 大，充電器輸出電壓越大；當充電器實際輸出電壓低于穩壓值時，為使充電器輸出電壓增 大，控制輸出的占空比增大，占空比越大，光伏輸出功率越小，充電器輸出電壓越小，如此循 環，會出現充電器輸出電壓越來越偏離穩壓值，直至輸出占空比為1，使充電處在卡死狀態， 造成光伏能量的浪費，這種情況下，常規的穩壓控制失效。
[0005] 針對光伏功率點工作在光伏P-V曲線最大功率點左側的情況，通常做法是在穩壓 控制下，判斷充電器輸出電壓與電池電壓是否較為接近且持續一段時間，是則關閉開關管 重新啟動充電電路，使光伏功率點工作在光伏開路電壓點，重新開始充電控制。該方法較為 被動，光伏功率點在光伏P-V曲線最大功率點左側卡死等待再重啟，引起光伏功率浪費；其 二，重新充電過程，同樣還存在以上問題，會再次陷入該循環，引起電池電壓波動。
【發明內容】
[0006] 本發明針對光伏發電系統中，因光伏功率點在光伏P-V曲線最大功率點左側時出 現系統卡死和輸出震蕩的問題，提出一種防止光伏功率點震蕩的充電控制方法，可使光伏 輸出電壓基本處在光伏Ρ-ν曲線最大功率點右側。具體實現方法如下： 一種防止光伏功率點震蕩的充電控制方法，其特征在于:提供一光伏充電器，采用雙環 控制，內環為電流環，外環根據光伏充電器輸出電壓選擇MPPT電壓環或穩壓電壓環;具體實 現方法如下:步驟一:對光伏充電器輸出電壓Ubuck實時采樣;步驟二：電壓環控制單元判斷 當前光伏充電器輸出電壓Ubuck是否小于預設的穩壓值Ubuck_set，是則選擇MPPT電壓環和 電流環控制方式，執行步驟三；否則選擇穩壓電壓環和電流環控制方式執行步驟四；步驟 三：當光伏充電器的控制方式是MPPT電壓環和電流環時，電壓控制單元實時判斷當前光伏 充電器輸出電壓Ubuck是否不低于穩壓上限Ubuck_max，是則選擇穩壓電壓環和電流環控制 方式，執行步驟四，否則保持MPPT電壓環和電流環控制方式，重復執行步驟三;步驟四：當光 伏充電器的控制方式是穩壓電壓環和電流環時，電壓控制單元實時判斷當前光伏充電器輸 出電壓Ubuck是否不高于穩壓下限Ubuck_min，是則選擇MPPT電壓環和電流環控制方式，執 行步驟三，否則保持穩壓電壓環和電流環控制方式，重復執行步驟四；其中，穩壓下限 Ubuck_min< 穩壓值 Ubuck_set<^t壓上限 Ubuck_max。
[0007] 進一步的，步驟三中控制方式變為穩壓電壓環和電流環時，將當前MPPT電壓環輸 出的第一電流參考值Irefl作為穩壓電壓環中PI調節器的初始積分值。
[0008] 進一步的，步驟四中控制方式變為MPPT電壓環和電流環時，將當前穩壓電壓環輸 出的第二電流參考值Iref2作為MPPT電壓環的PI調節器的初始積分值。
[0009] 進一步的，所述MPPT電壓環的控制方法如下:根據光伏極板輸出電壓Upv、輸出電 流Ipv，計算出當前光伏電壓給定Upv_ref，該光伏電壓給定Upv_ref與光伏極板輸出電壓 Upv比較后經MPPT電壓環的PI調節器計算輸出第一電流參考值Irefl。
[0010] 進一步的，所述穩壓電壓環的控制方法如下:根據預設的穩壓值Ubuck_set與當前 光伏充電器輸出電壓Ubuck比較后經穩壓電壓環的PI調節器計算輸出第二電流參考值 Iref2〇
[0011] 進一步的，所述電流環的控制方法如下：將MPPT電壓環輸出的第一電流參考值 Irefl或穩壓電壓環輸出的第二電流參考值Iref2經限幅后作為電流環的電流給定Iref，該 電流給定Iref與當前光伏充電器輸出電流Ibuck比較后經一 PI調節器輸出占空比信號D，該 占空比信號D經PWM驅動單元產生PWM調制波。
[0012] 較佳的，所述穩壓上限Ubuck_max的取值范圍為[1.01~1.05]*Ubuck_set。
[0013] 較佳的，所述穩壓下限Ubuck_min的取值范圍為[0.95~0.99]*Ubuck_set。
[0014]較佳的，所述的光伏充電器采用BUCK電路。
[0015]本發明的有益效果如下： 其一，對于開關管電路，傳輸同樣功率時，高電壓小電流硬件開關的損耗要比低電壓大 電流硬開關的損耗低的多； 其二，可以避免充電器輸出穩壓狀態下光伏功率點在曲線左側震蕩或者卡死的狀態， 提尚穩壓精度； 其三，在電池電壓未達到穩壓點，控制器可將光伏功率調節到最大功率點，盡可能的利 用光伏能量； 其四，在電池電壓跌落到穩壓下限或升高到穩壓上限時再進行電壓控制切換，不會頻 繁出現環路切換，避免造成光伏功率點震蕩，可有效控制電池電壓紋波，使光伏充電器輸出 電壓在穩態時精度高，對延遲電池壽命有較重要意義。
【附圖說明】
[0016] 圖1為光伏P-V曲線。
[0017] 圖2為本發明一實施例中光伏發電系統結構框圖。
[0018]圖3為本發明一實施例控制流程圖。
【具體實施方式】
[0019] 為使本發明的技術方案更加清楚，以下結合實施例和附圖，對本發明的的技術方 案作進一步的說明。
[0020] 圖2為本發明一實施例防止光伏功率點震蕩的充電控制方法具體實施結構框圖， 其中光伏充電器采用BUCK電路。控制環路采用雙環控制，其中內環控制為電流環，外環控制 為電壓環，控制系統中還包括電壓環控制單元，電壓環控制單元根據BUCK電路輸出電壓選 擇MPPT電壓環或穩壓電壓環，MPPT電壓環和穩壓電壓環不同時工作。
[0021 ]具體實現方法如圖3所示： 光伏發電系統啟動后，系統開始對當前充電器輸出電壓Ubuck進行始實時采樣； 電壓環控制單元判斷當前光伏充電器輸出電壓Ubuck是否小于預設的穩壓值Ubuck_ set，是則選擇MPPT電壓環和電流環控制方式;否則選擇穩壓電壓環和電流環控制方式； 當光伏充電器的控制方式是MPPT電壓環和電流環時，電壓控制單元實時判斷當前光伏 充電器輸出電壓Ubuck是否不低于穩壓上限Ubuck_max，是則選擇穩壓電壓環和電流環控制 方式，并將當前MPPT電壓環輸出的第一電流參考值Irefl作為穩壓電壓環中PI調節器的初 始積分值，否則保持MPPT電壓環和電流環控制方式； 當光伏充電器的控制方式是穩壓電壓環和電流環時，電壓控制單元實時判斷當前光伏 充電器輸出電壓Ubuck是否不高于穩壓下限Ubuck_min，是則選擇MPPT電壓環和電流環控制 方式，并將當前穩壓電壓環輸出的第二電流參考值Iref2作為MPPT電壓環中PI算法的初始 積分值，否則保持穩壓電壓環和電流環控制方式 光伏充電器充電過程中，重復如上判斷，當控制方式是MPPT電壓環和電流環且當前光 伏充電器輸出電壓Ubuck不低于穩壓上限Ubuck_max時則選擇穩壓電壓環和電流環控制方 式；當控制方式是穩壓電壓環和電流環且當前光伏充電器輸出電壓Ubuck不高于穩壓下限 Ubuck_min則選擇MPPT電壓環和電流環控制方式，周而復始。
[0022] 本發明中將恒壓充電的穩壓值設定為Ubuck_set，其穩壓上限為Ubuck_max，穩壓 下限為Ubuck_min，較佳的Ubuck_max=[ 1 · 01~1 · 05]*Ubuck_set，Ubuck_min=[0 · 95~0 · 99]* Ubuck_set，本實施例中，穩壓上限為Ubuck_max、穩壓下限為Ubuck_min分別取值如下： Ubuck_max=l · 01Ubuck_set，Ubuck_min=0 · 99Ubuck_set，或者Ubuck_max=l · 05Ubuck_set， Ubuck_min=0.95Ubuck_set，或者是如上區間的任一值。系統啟動時，電池電壓低，系統首先 以MPPT電壓環和電流環控制方式，以最大功率算法跟蹤快速給電池充電，盡可能的利用光 伏能量。MPPT電壓環和電流環控制方式的具體控制方法如下:根據光伏極板輸出電壓Upv、 輸出電流Ipv進行最大功率跟蹤，計算出當前光伏電壓給定Upv_ref，其中最大功率跟蹤采 用擾動觀察法:首先擾動光伏電池的輸出電壓，然后觀測擾動后光伏陣列的輸出功率，將擾 動后的輸出功率與擾動前的輸出功率進行比較，若擾動后的輸出功率增加，則表示此前的 擾動方向正確，可繼續向相同的方向擾動光伏陣列的輸出電壓;反之，若擾動后的輸出功率 減小，則應向相反的方向擾動光伏陣列的輸出電壓，使用光伏電池最終工作在最大功率點。 該光伏電壓給定Upv_ref與反饋的光伏極板輸出電壓Upv經PI調節器輸出第一電流參考值 Irefl，Iref 1經限幅后得到Iref作為電流環的電流給定。Iref與反饋的BUCK輸出電流Ibuck 經PI計算輸出占空比信號D，該占空比信號D輸出到P麗驅動單元產生P麗調制波，使BUCK電 路以最大功率輸出給電池充電。在充電過程中電池電壓隨之升高，直到電池電壓大于等于 穩壓上限Ubuckjnax，電池開始以恒壓充電。穩壓電壓環和電流環控制方式，具體控制方法 如下:穩壓電壓環將設定的穩壓值Ubuck_set與反饋的BUCK輸出電壓Ubuck經PI調節器輸出 第二電流參考值Iref2，Iref2經限幅后得到Iref作為電流環的電流給定。兩種不同的控制 方式，共用一個電流環，電流環的控制方法如上所述。其中，PI調節器的計算方法如下：
其中kp為比例系數，ki為積分系數，e(k)為當前給定與實 際反饋的誤差量。
[0023] 系統實時判斷當前當BUCK輸出電壓Ubuck與穩壓上限Ubuck_max、穩壓下限Ubuck_ min的關系：當BUCK輸出電壓Ubuck下降到穩壓下限Ubuck_min時，電壓環控制單元會選擇 MPPT電壓環，下一個開關周期開始進入MPPT電壓環和電流環控制方式；當BUCK輸出電壓 Ubuck達到穩壓上限Ubuck_max時，電壓環控制單元會選擇穩壓電壓環，下一個開關周期開 始進入穩壓電壓環和電流環控制方式。
[0024] 系統從MPPT電壓環和電流環控制方式進入穩壓電壓環和電流環控制方式時，穩壓 電壓環中的PI調節器的初始積分值為上一開關周期中MPPT電壓環的輸出值，即當k時刻系 統從MPPT電壓環和電流環控制方式進入穩壓電壓環和電流環控制方式，k_ 1時刻MPPT電壓 環的輸出量記為U'（k-l)，則k時刻穩壓電壓環的輸出量U(k) = Up(k)+Ui(k) = Up(k) +U' (k-1)，其中Up(k)為PI調節器比例量，Ui(k)為PI調節器積分量;此時MPPT電壓環不工作。 [0025] 同理，當系統從穩壓電壓環和電流環控制方式進入MPPT電壓環和電流環控制方式 時，MPPT電壓環中的PI調節器的初始積分值為上一開關周期中穩壓電壓環的輸出值，當 MPPT電壓環工作時，穩壓電壓環不工作。
[0026] 電池電壓充電到穩壓上限Ubuck_max，MPPT電壓環和電流環切換到穩壓環和電流 環模式，由于BUCK控制器輸出電壓作為反饋電壓高于預設的穩壓值Ubuck_set，經過穩壓環 PI計算，可以在短時間內使占空比由大變小，使光伏功率點在光伏P-V曲線的左側能往右偏 移，由于光伏功率與充電器輸出電壓成正相關關系，光伏功率可落在右側同等光伏功率點 上，從而避免功率點在左側卡死狀態;穩壓環和電流環模式，只有當電池電壓跌落到穩壓下 限Ubuck_min，才會切換到MPPT控制電壓環和電流環模式，由于穩壓值Ubuck_set設定有上 下精度誤差，只有當電池充電電壓低于穩壓下限Ubuck_min或高于穩壓上限Ubuck_max時才 進行電壓環切換，不會頻繁出現環路切換，使光伏充電器輸出電壓在穩態時精度高，對延遲 電池壽命有較重要意義。
[0027] 以上實施例為本發明的較佳實施方式，本發明的保護范圍以權力要求書為準。
【主權項】
1. 一種防止光伏功率點震蕩的充電控制方法，其特征在于:提供一光伏充電器，采用雙 環控制，內環為電流環，外環根據光伏充電器輸出電壓Ubuck選擇MPPT電壓環或穩壓電壓 環； 具體實現方法如下： 步驟一:對光伏充電器輸出電壓Ubuck實時采樣； 步驟二：電壓環控制單元判斷當前光伏充電器輸出電壓Ubuck是否小于預設的穩壓值 Ubuck_set，是則選擇MPPT電壓環和電流環控制方式，執行步驟三;否則選擇穩壓電壓環和 電流環控制方式執行步驟四； 步驟三：當光伏充電器的控制方式是MPPT電壓環和電流環時，電壓控制單元實時判斷 當前光伏充電器輸出電壓Ubuck是否不低于穩壓上限Ubuck_max，是則選擇穩壓電壓環和電 流環控制方式，執行步驟四，否則保持MPPT電壓環和電流環控制方式，重復執行步驟三； 步驟四：當光伏充電器的控制方式是穩壓電壓環和電流環時，電壓控制單元實時判斷 當前光伏充電器輸出電壓Ubuck是否不高于穩壓下限Ubuck_min，是則選擇MPPT電壓環和電 流環控制方式，執行步驟三，否則保持穩壓電壓環和電流環控制方式，重復執行步驟四； 其中，穩壓下限Ubuc k_m in<穩壓值Ubuck_set<穩壓上限Ubuc k_max。2. 根據權利要求1所述的防止光伏功率點震蕩的電池充電控制方法，其特征在于:步驟 三中控制方式變為穩壓電壓環和電流環時，將當前MPPT電壓環輸出的第一電流參考值 Irefl作為穩壓電壓環中PI調節器的初始積分值。3. 根據權利要求1所述的防止光伏功率點震蕩的充電控制方法，其特征在于:步驟四中 控制方式變為MPPT電壓環和電流環時，將當前穩壓電壓環輸出的第二電流參考值Iref2作 為MPPT電壓環的PI調節器的初始積分值。4. 根據權利要求1所述的防止光伏功率點震蕩的充電控制方法，其特征在于:所述MPPT 電壓環的控制方法如下:根據光伏充電器的光伏極板輸出電壓Upv、輸出電流Ipv，計算出當 前光伏電壓給定Upv_ref，該光伏電壓給定Upv_ref與光伏充電器的光伏極板輸出電壓Upv 比較后經MPPT電壓環的PI調節器計算輸出第一電流參考值Irefl。5. 根據權利要求4所述的防止光伏功率點震蕩的充電控制方法，其特征在于:所述穩壓 電壓環的控制方法如下:預設的穩壓值Ubuck_ set與當前光伏充電器輸出電壓Ubuck比較后 經穩壓電壓環的PI調節器計算輸出第二電流參考值Iref2。6. 根據權利要求5所述的防止光伏功率點震蕩的充電控制方法，其特征在于:所述電流 環的控制方法如下：將MPPT電壓環輸出的第一電流參考值Irefl或穩壓電壓環輸出的第二 電流參考值Iref2經限幅后作為電流環的電流給定Iref，該電流給定Iref與當前光伏充電 器輸出電流Ibuck比較后經電流環的PI調節器輸出一占空比信號D，該占空比信號D經PWM驅 動單元產生PWM調制波。7. 根據權利要求1所述的防止光伏功率點震蕩的充電控制方法，其特征在于:所述穩壓 上限Ubuck_max的取值范圍為[1 ·01~1 ·05]*Ubuck_set〇8. 根據權利要求7所述的防止光伏功率點震蕩的充電控制方法，其特征在于:所述穩 壓下限Ubuck_min的取值范圍為[0·95~0·99]*Ubuck_set。9. 根據權利要求1所述的防止光伏功率點震蕩的充電控制方法，其特征在于:所述的光 伏充電器采用BUCK電路。
【文檔編號】H02J7/35GK106026336SQ201610337256
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月21日
【發明人】張蓬勃, 黃偉平, 焦保帥, 張少育
【申請人】廈門科華恒盛股份有限公司