技术领域

本发明涉及太阳能电池最大功率点跟踪控制技术领域，尤其涉及的是一种改进的变步长扰动法MPPT控制装置、方法与应用系统。

背景技术

太阳能作为一种新型绿色能源，可解决因常规能源枯竭而引发的能源危机，受到国内外的广泛关注。而光伏发电则是当前利用太阳能的主要形式之一。光伏电池的输出特性具有较强非线性特征，它的输出功率不仅与光伏电池内部特性有关，还受到外界环境条件(光照、温度)的影响，采用最大功率点跟踪技术(Maximumpowerpointtrack，MPPT)可有效提升光伏系统的能量转换效率。对定步长扰动观察法，大步长可提升跟踪速度，但最大功率点附近功率振荡大，能量损失严重；小步长可减少能量损失，提高稳态精度，但会降低跟踪速度。电导增量法通过比较光伏电池的电导增量和瞬间电导来改变系统的控制信号。除此之外，还有基于智能控制的MPPT方法，例如，基于模糊算法的最大功率点跟踪控制策略，具有稳态精度高，鲁棒性强的特点，但该算法有效性依赖于设计者的经验，且算法较为复杂。为了解决稳态精度和响应速度之间的矛盾，本发明提出了一种改进的变步长扰动法MPPT控制装置、方法与应用系统。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中定步长算法稳态性能和动态性能不能兼顾、传统变步长算法收敛速度较慢、功耗损失较大的问题，提供了一种改进的变步长扰动法MPPT控制装置与方法。

本发明提供的一种改进的变步长MPPT控制装置及应用系统，包括PV阵列，电压转换单元，电压检测装置，电流检测装置，基于单片机的MPPT控制模块，采用处理电路，占空比控制电路、蓄电池和负载，所述电压变换单元包括电容C1、电感L1、开关管Q1、二极管D1以及电容C2；电容C1的两端分别与PV阵列的正负极连接，电感L1的一端连接PV阵列的正极，另一端连接开关管Q1的漏极以及二极管D1的正极，开关管的源极接地，二极管D1的负极连接电容C2的一端，电容C2的另一端接地，占空比控制电路的输出端连接开关管Q1的栅极；电压检测装置和电流检测装置连接基于单片机的MPPT控制模块，并分别将检测到的电压信号和电流信号发送给MPPT控制模块；MPPT控制模块连接占空比控制电路，并将占空比信号发送给占空比控制电路，电压变换单元的输出端连接蓄电池；MPPT控制模块还连接有采用处理电路，采用处理电路用于采集蓄电池参数信息以及外界的温度、光照等信息，并将采集到的信息实时发送给MPPT控制模块；所述蓄电池连接负载，所述负载可以是LED照明灯或其它用电设备。

本发明提供的一种改进的变步长扰动法MPPT控制方法，其包括以下步骤：

(1)对电压值进行初始化，然后通过电压检测装置和电流检测装置分别检测出当前时刻电压U(k)和当前时刻电流I(k)以及前一时刻的电压U(k-1)和电流I(k-1)，然后经过低通滤波，并得到电压增量AU＝U(k)-U(k-1)，功率P(k)＝U(k)*I(k)，以及功率增量ΔP＝U(k)*I(k)-U(k-1)*I(k-1)；其中，初始启动电压为开路电压的0.8倍；

(2)判断ΔP的绝对值是否大于e，如果是，则令d＝a|ΔP|，然后执行步骤(3)；如果否，则令d＝s，然后执行步骤(3)；其中，e为功率差阈值，d为步长变化参数，a为变步长调节因子，s为小步长参数，是预设的一个较小的常数；

(3)判断ΔP是否等于0，如果是，则直接返回；如果否，则进一步执行步骤(4)；

(4)判断ΔP是否大于0；如果ΔP＞0，则进一步判断ΔU是否大于0，如果是，则令D(k+1)＝D(k)+d，然后返回，如果否，则令D(k+1)＝D(k)-d，然后返回；如果ΔP不大于0，则进一步判断ΔU是否大于0，如果是，则令D(k+1)＝D(k)-d，然后返回，如果否，则令D(k+1)＝D(k)+d，然后返回；其中，D(k)为当前时刻的占空比控制参数，D(k+1)为下一时刻的占空比控制参数。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

本发明提出的改进的变步长MPPT控制装置与方法可以在较短时间内追踪到最大功率点，具有较好的稳定性和精度，并且追踪过程平稳快速。

附图说明

图1为本发明提供的一种变步长MPPT控制装置与应用系统结构图。

图2为本发明提供的一种变步长MPPT控制方法流程图。

图3为采用本方法后的输出功率波形图。

具体实施方式

本发明提供了一种改进的变步长扰动法MPPT控制装置、方法与应用系统，为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种改进的变步长MPPT控制装置及应用系统，包括PV阵列，电压转换单元，电压检测装置，电流检测装置，基于单片机的MPPT控制模块，采用处理电路，占空比控制电路、蓄电池和负载，所述电压变换单元包括电容C1、电感L1、开关管Q1、二极管D1以及电容C2；电容C1的两端分别与PV阵列的正负极连接，电感L1的一端连接PV阵列的正极，另一端连接开关管Q1的漏极以及二极管D1的正极，开关管的源极接地，二极管D1的负极连接电容C2的一端，电容C2的另一端接地，占空比控制电路的输出端连接开关管Q1的栅极；电压检测装置和电流检测装置连接基于单片机的MPPT控制模块，并分别将检测到的电压信号和电流信号发送给MPPT控制模块；MPPT控制模块连接占空比控制电路，并将占空比信号发送给占空比控制电路，电压变换单元的输出端连接蓄电池；MPPT控制模块还连接有采用处理电路，采用处理电路用于采集蓄电池参数信息以及外界的温度、光照等信息，并将采集到的信息实时发送给MPPT控制模块；所述蓄电池连接负载，所述负载可以是LED照明灯或其它用电设备。

如图2所示，一种上述控制装置的控制方法，其包括以下步骤：

(1)对电压值进行初始化，然后通过电压检测装置和电流检测装置分别检测出当前时刻电压U(k)和当前时刻电流I(k)以及前一时刻的电压U(k-1)和电流I(k-1)，然后经过低通滤波，并得到电压增量ΔU＝U(k)-U(k-1)，功率P(k)＝U(k)*I(k)，以及功率增量ΔP＝U(k)*I(k)-U(k-1)*I(k-1)；其中，初始启动电压为开路电压的0.8倍；

(2)判断ΔP的绝对值是否大于e，如果是，则令d＝a|ΔP|，然后执行步骤(3)；如果否，则令d＝s，然后执行步骤(3)；其中，e为功率差阈值，d为步长变化参数，a为变步长调节因子，s为小步长参数，是预设的一个较小的常数；

(3)判断ΔP是否等于0，如果是，则直接返回；如果否，则进一步执行步骤(4)；

(4)判断ΔP是否大于0；如果ΔP＞0，则进一步判断ΔU是否大于0，如果是，则令D(k+1)＝D(k)+d，然后返回，如果否，则令D(k+1)＝D(k)-d，然后返回；如果ΔP不大于0，则进一步判断ΔU是否大于0，如果是，则令D(k+1)＝D(k)-d，然后返回，如果否，则令D(k+1)＝D(k)+d，然后返回；其中，D(k)为当前时刻的占空比控制参数，D(k+1)为下一时刻的占空比控制参数。

根据现有技术可知，光伏电池的输出特性曲线为一条单峰的抛物线，采用上述改进的变步长控制方法，在工作点离抛物线顶点较远时，可以大步长跟进，快速的缩短跟踪的时间；而在离抛物线顶点较近时，采用预设的固定小步长跟进，这样可以减小震荡幅度，提高控制精度。与传统的变步长算法相比，具有更好的快速性和稳定性。图3为采用本方法后的输出功率波形图。

本发明的MPPT控制方法相对于传统的MPPT控制方法，能够解决传统算法中快速性和稳定性无法兼顾的问题，比传统的变步长算法更快的收敛，且稳定性较好。应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。