本發(fā)明屬于光伏電池領(lǐng)域，具體涉及一種用于光伏直流供電系統(tǒng)中DC/DC的雙模式控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

由于太陽(yáng)能容易受各種外界環(huán)境因素的影響，光伏發(fā)電的平穩(wěn)度相較其它能源差，因而目前光伏電池主要用于給蓄電池充電或者并網(wǎng)，在這兩種場(chǎng)合中，光伏電池的工作點(diǎn)都需要被控制在它的最大功率點(diǎn)（MPP）。而對(duì)于無儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的光伏電池直接向負(fù)載供電的離網(wǎng)發(fā)電模式，由于太陽(yáng)能的不穩(wěn)定性，相關(guān)方面的研究較少。但在某些場(chǎng)合中，這種直接供電的發(fā)電方式會(huì)被采用，如無蓄電池的光伏水泵和某些用于直流微電網(wǎng)供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)等。在這些場(chǎng)合中，光伏電池通過DC/DC連接到負(fù)載，DC/DC有兩種工作模式，一種是恒壓輸出模式，另一種是最大功率點(diǎn)追蹤模式（MPPT）。

在某些情況下，光伏電池所能達(dá)到的最大功率輸出大于負(fù)載可以吸收的最大功率，這時(shí)如果仍然控制DC/DC使光伏電池工作在最大功率輸出下，則可能使得負(fù)載的端電壓大于其最大允許的電壓值，可能導(dǎo)致負(fù)載因吸收的功率過大而燒毀，因此在這種情況下，不能控制DC/DC使得光伏電池工作在最大功率輸出模式下，DC/DC的控制目標(biāo)必須從“維持光伏電池的最大功率輸出”轉(zhuǎn)移到“維持DC/DC輸出電壓恒定”。然而，傳統(tǒng)的DC/DC的恒壓輸出控制方法往往都只適用于輸入電源的內(nèi)阻抗較小的情況下，而對(duì)于以光伏電池為輸入電源的DC/DC，由于光伏電池的內(nèi)阻抗較大，因而傳統(tǒng)的DC/DC恒壓控制輸出方式往往無法穩(wěn)定控制輸出電壓。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種用于光伏直流供電系統(tǒng)中DC/DC的雙模式控制系統(tǒng)及方法，能夠使輸入電源為光伏電池、工作在恒壓輸出模式下的DC/DC穩(wěn)定運(yùn)行。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為：一種用于光伏直流供電系統(tǒng)中DC/DC的雙模式控制系統(tǒng)，從主電路獲取參數(shù)，與輸出電壓給定值進(jìn)行比較和算法處理，通過PWM調(diào)制單元輸出方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制主電路的開關(guān)管，其特征在于：本控制系統(tǒng)還包括：

輸出恒壓控制模塊，用于采用恒壓輸出模式，將主電路的實(shí)際輸出電壓和輸出電壓給定值進(jìn)行比較，得到誤差值后進(jìn)行補(bǔ)償，輸出PWM調(diào)制單元的占空比；

最大功率點(diǎn)跟蹤控制模塊，用于采用最大功率點(diǎn)跟蹤模式輸出PWM調(diào)制單元的占空比，并根據(jù)主電路的實(shí)際輸入電壓、實(shí)際輸入電流、實(shí)際輸出電壓和輸出電壓給定值，采用最大功率點(diǎn)跟蹤算法，得到最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光伏電池端電壓；

控制模式切換模塊，用于在輸出恒壓控制模塊和最大功率點(diǎn)跟蹤控制模塊二者之間切換，切換規(guī)則為：在恒壓輸出模式下，若主電路的實(shí)際輸入電壓小于最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光伏電池端電壓，則切換至最大功率點(diǎn)跟蹤模式；在最大功率點(diǎn)跟蹤模式下，若主電路的實(shí)際輸出電壓達(dá)到輸出電壓給定值，則切換至恒壓輸出模式。

一種上述用于光伏直流供電系統(tǒng)中DC/DC的雙模式控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于：它包括以下步驟：

S1、主電路上電后，首先采用最大功率點(diǎn)跟蹤模式輸出PWM調(diào)制單元的占空比；

S2、當(dāng)主電路的實(shí)際輸出電壓達(dá)到輸出電壓給定值，則切換至恒壓輸出模式；

S3、在恒壓輸出模式下，若主電路的實(shí)際輸入電壓小于最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光伏電池端電壓，則重新切換至最大功率點(diǎn)跟蹤模式，并返回S2。

本發(fā)明的有益效果為：通過合理選擇控制模式，解決傳統(tǒng)DC/DC恒壓輸出的控制方式用于光伏穩(wěn)壓輸出的時(shí)的不穩(wěn)定的問題，使輸入電源為光伏電池、工作在恒壓輸出模式下的DC/DC穩(wěn)定運(yùn)行。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。

圖2為控制切換方法流程圖。

圖3為本發(fā)明一實(shí)施例的主電路原理圖。

圖4為現(xiàn)有技術(shù)的仿真模型圖。

圖5為本發(fā)明一實(shí)施例的仿真模型圖。

圖6為圖4仿真所得的輸出電壓波形圖。

圖7為圖5仿真所得的輸出電壓波形圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

本發(fā)明提供一種用于光伏直流供電系統(tǒng)中DC/DC的雙模式控制系統(tǒng)，從主電路獲取參數(shù)，與輸出電壓給定值進(jìn)行比較和算法處理，通過PWM調(diào)制單元輸出方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制主電路的開關(guān)管，如圖1所示，本控制系統(tǒng)還包括：輸出恒壓控制模塊，用于采用恒壓輸出模式，將主電路的實(shí)際輸出電壓和輸出電壓給定值進(jìn)行比較，得到誤差值后進(jìn)行補(bǔ)償，輸出PWM調(diào)制單元的占空比；最大功率點(diǎn)跟蹤控制模塊，用于采用最大功率點(diǎn)跟蹤模式輸出PWM調(diào)制單元的占空比，并根據(jù)主電路的實(shí)際輸入電壓、實(shí)際輸入電流、實(shí)際輸出電壓和輸出電壓給定值，采用最大功率點(diǎn)跟蹤算法，得到最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光伏電池端電壓；控制模式切換模塊，用于在輸出恒壓控制模塊和最大功率點(diǎn)跟蹤控制模塊二者之間切換，如圖2所示，切換規(guī)則為：在恒壓輸出模式下，若主電路的實(shí)際輸入電壓小于最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光伏電池端電壓，則切換至最大功率點(diǎn)跟蹤模式；在最大功率點(diǎn)跟蹤模式下，若主電路的實(shí)際輸出電壓達(dá)到輸出電壓給定值，則切換至恒壓輸出模式。

一種上述用于光伏直流供電系統(tǒng)中DC/DC的雙模式控制系統(tǒng)的控制方法，它包括以下步驟：S1、主電路上電后，首先采用最大功率點(diǎn)跟蹤模式輸出PWM調(diào)制單元的占空比；S2、當(dāng)主電路的實(shí)際輸出電壓達(dá)到輸出電壓給定值，則切換至恒壓輸出模式；S3、在恒壓輸出模式下，若主電路的實(shí)際輸入電壓小于最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光伏電池端電壓，則重新切換至最大功率點(diǎn)跟蹤模式，并返回S2。

本發(fā)明的創(chuàng)新與核心之處在于，增加了一個(gè)“控制模式切換模塊”，其可以根據(jù)輸入、輸出及給定電壓，在“恒壓輸出模式”與“最大功率點(diǎn)跟蹤模式”中選擇一個(gè)需要投入的控制模式，通過合理選擇控制模式，可以解決傳統(tǒng)DC/DC恒壓輸出的控制方式用于光伏穩(wěn)壓輸出的時(shí)的不穩(wěn)定的問題。

輸出恒壓控制模塊用于維持輸出電壓為給定電壓值，其采用的仍然是傳統(tǒng)的DC/DC的恒壓控制方法。其根據(jù)檢測(cè)實(shí)際輸出電壓，與輸出電壓給定值比較后得到誤差e，經(jīng)過補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后輸出一個(gè)占空比值，經(jīng)過PWM調(diào)制環(huán)節(jié)調(diào)制后成為對(duì)應(yīng)占空比的方波，用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)管。

最大功率點(diǎn)跟蹤模塊采用傳統(tǒng)的MPPT控制方法，例如擾動(dòng)觀察法（P&O）或增量電導(dǎo)法（InCond）。當(dāng)該模塊跟蹤到最大功率點(diǎn)時(shí)，會(huì)采集輸出最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光伏電池端電壓，并送往控制模式切換模塊，作為切換控制模塊的Umpp值。

控制模式切換模塊是本系統(tǒng)的核心部分，可以克服傳統(tǒng)DC/DC恒壓輸出的控制方式用于光伏穩(wěn)壓輸出的時(shí)的不穩(wěn)定的問題。在運(yùn)行時(shí)，時(shí)刻判斷系統(tǒng)處于何種控制模式下。若處于恒壓輸出模式，則時(shí)刻檢查實(shí)際輸入電壓Ui是否小于最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的光伏電池端電壓即Umpp，若小于，則切換至最大功率點(diǎn)跟蹤模式，反正則維持原控制模式；若處于最大功率點(diǎn)跟蹤模式，則檢測(cè)實(shí)際輸出電壓Uo是否達(dá)到了輸出電壓給定值，若達(dá)到了，則切換至恒壓輸出模式，反之則維持原模式不變。

下面以主電路為Buck電路舉例說明本系統(tǒng)及方法的工作原理。如圖3所示的主電路在上電后，由于輸入、輸出電容均未被充滿電，因此光伏電池處于短路狀態(tài)，工作點(diǎn)處于P-V曲線的原點(diǎn)，此時(shí)，必滿足實(shí)際輸入電壓Ui<Umpp，因此在控制模式會(huì)被切換到最大功率點(diǎn)跟蹤模式。在最大功率點(diǎn)跟蹤模塊的控制下，輸出電壓逐漸上升，此時(shí)，若最大功率Pmax>輸出功率Po，則輸出電壓將會(huì)上升至輸出電壓給定值，當(dāng)輸出電壓上升至輸出電壓給定值后，控制模式會(huì)被自動(dòng)切換至輸出恒壓控制方式。由于占空比在切換前后仍然保持不變，因而輸出電壓有過沖的趨勢(shì)，因此恒壓控制模塊會(huì)降低占空比，最終使電路工作在P-V曲線的最大功率點(diǎn)的右側(cè)，由上面的分析可得，最大功率點(diǎn)的右側(cè)是穩(wěn)定的，因而輸出電壓可以被穩(wěn)定在輸出電壓給定值。此后，即使在其它因素的作用下，使工作點(diǎn)移動(dòng)到了P-V曲線的最大功率點(diǎn)的左側(cè)（為不穩(wěn)定區(qū)域），都會(huì)使Ui<Umpp，而使電路發(fā)生一次重新啟動(dòng)，使工作點(diǎn)由重新恢復(fù)到P-V曲線的最大功率點(diǎn)的右側(cè)穩(wěn)定區(qū)域。

若Pmax<Po，則輸出電壓上升至一定值后會(huì)停止上升，電路將會(huì)始終工作在最大功率點(diǎn)上。

由上面的舉例分析可得，通過引入一個(gè)控制模式切換模塊，可以實(shí)現(xiàn)恒壓-最大功率雙模式的控制。

為驗(yàn)證所提出的方法的有效性，在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型，如圖4、圖5所示。其中，光伏電池最大功率點(diǎn)為(15V , 23.5W)，負(fù)載大小為6Ω，給定電壓為10V。圖4為現(xiàn)有技術(shù)的仿真模型圖，而圖5為本本發(fā)明一實(shí)施例的仿真模型圖。

圖4、圖5仿真所得的輸出電壓波形圖分別如圖6、圖7所示，可見，在輸入光伏電池的輻照度、負(fù)載等參數(shù)相同的狀況下，傳統(tǒng)的控制方式，盡管Pmax>Po，但是輸出電壓最終還是無法穩(wěn)定在給定值，而對(duì)于改進(jìn)的本發(fā)明控制方式下，其前一階段處于尋找最大功率點(diǎn)的運(yùn)行方式，而后一階段切換到了恒壓輸出控制模式，輸出電壓最終穩(wěn)定在了給定值10V。由仿真結(jié)果對(duì)比可知，本發(fā)明具有很高的可行性。

以上實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想和特點(diǎn)，其目的在于使本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于上述實(shí)施例。所以，凡依據(jù)本發(fā)明所揭示的原理、設(shè)計(jì)思路所作的等同變化或修飾，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。