一种自适应混合MPPT控制的光伏发电Boost变换系统与控制方法

本发明涉及光伏发电与电力电子dc-dc变换，具体涉及一种自适应混合mppt控制的光伏发电boost变换系统及控制方法。

背景技术：

1、随着清洁能源发展，光伏发电广泛应用。光伏组件输出呈强非线性，功率-电压曲线单峰极值，存在唯一最大功率点（mpp）；光照与温度变化使mpp持续迁移，须配置mppt控制器调节boost变换器占空比，实现光伏等效阻抗匹配以跟踪mpp。

2、传统mppt多采用单一固定算法，难兼顾动态响应与稳态精度：扰动观察法(p&o)动态响应速度快，但固定扰动步长易导致最大功率点附近周期性功率振荡；电导增量法(inc)稳态跟踪精度高，但光照突变时收敛速度慢；恒压控制(cv)仅适用于弱光、故障等极限工况的兜底控制。现有混合策略仍有不足：现有混合策略多为算法间直接切换，缺少过渡区间的加权融合机制，切换瞬间输出量跳变，易造成占空比剧烈扰动，工况识别粒度粗，对强扰动、过渡、稳态与极限失稳四类工况区分不足，切换易抖动迟滞；扰动步长固定，无法在“远离快速逼近、临近精细收敛”间连续自适应；普遍未对温度、负载变化做前馈补偿，全工况适应性差，部分方案仅从软件层面尝试抑制dcm模式，未从硬件电感参数选型层面锁定ccm，轻载弱光工况下仍易进入断续导通，导致mppt 算法失效。

3、硬件层面，现有系统亦存瓶颈：电压电流采样多异步，电压与电流采样多为异步执行，瞬时功率计算存在相位误差，易导致工况判定失真；控制器直接驱动功率开关器件，强弱电之间无电气隔离，强电侧噪声易倒灌至控制回路；弱光轻载时boost升压变换模块的储能电感电流易入断续导通（dcm）致增益非线性，多从软件规避而未从硬件锁定连续导通（ccm）；系统上电时输入电容近似短路状态，易产生冲击浪涌电流，且多数系统缺少完善的故障保护与自动恢复机制。

4、综上，现有光伏boost变换mppt系统在算法与硬件两层均有局限，亟需一种全工况自适应协同、算法与硬件深度融合的系统及方法。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种自适应混合mppt控制的光伏发电boost变换系统，其包括：

2、光伏输入模块，用于提供直流能量输入；

3、输入保护与滤波模块，其输入端连接所述光伏输入模块的输出端；

4、boost升压变换模块，其输入端连接所述输入保护与滤波模块的输出端，用于将光伏直流电能升压变换为高压直流电能，并通过调节功率开关器件的占空比实现光伏端口等效阻抗的动态匹配；

5、电压电流采样模块，连接于光伏输入回路，用于同步采集光伏端口的瞬时电压信号和瞬时电流信号并输出采样信号；

6、自适应混合mppt控制模块，其信号输入端连接所述电压电流采样模块的输出端，所述自适应混合mppt控制模块包括工况识别单元、多算法切换单元、变步长调节单元和参数补偿单元；

7、所述工况识别单元基于光伏输出功率对光伏端口电压的变化率的绝对值|dp/dv|与预设的动态高阈值和稳态低阈值的比较结果识别当前工况类别；所述多算法切换单元包括配置恒压控制模式、扰动观察算法模式法和电导增量法三种控制算法模式三种工作模式，根据所述工况识别单元输出的工况类别在所述三种控制模式之间自适应切换；所述变步长调节单元使扰动步长与|dp/dv|线性耦合，根据|dp/dv|的大小自适应调节扰动步长；所述参数补偿单元根据实时获取的光伏组件温度和系统负载等效电阻，对控制参考电压和扰动步长进行实时前馈修正；所述自适应混合mppt控制模块根据切换后的控制模式和调节后的扰动步长输出pwm占空比调节信号；

8、驱动模块，其输入端连接所述自适应混合mppt控制模块的pwm信号输出端，输出端连接所述boost 升压变换模块中功率开关器件的栅极，用于实现强弱电侧的电气隔离及pwm驱动信号的功率放大。

9、输出电路模块，其输入端连接所述boost升压变换模块的输出端，用于稳定输出升压后的直流电能，为后端负载提供可靠供电。

10、本发明的系统通过工况识别、多算法自适应切换、变步长调节与温阻前馈补偿四位一体的闭环控制，实现全工况下的高效最大功率点跟踪，显著提升系统对不同光照、温度及负载条件的适应性与运行鲁棒性。

11、所述工况识别单元将系统运行工况划分为强扰动动态工况、平缓过渡工况、高精度稳态工况和极限失稳工况四类；当|dp/dv|大于所述动态高阈值时，判定为强扰动动态工况；当|dp/dv|小于所述稳态低阈值时，判定为高精度稳态工况；当|dp/dv|介于所述动态高阈值与所述稳态低阈值之间时，判定为平缓过渡工况；当检测到光伏端口输出功率低于预设低功率阈值、或光伏端口电压低于预设低压阈值、或boost升压变换模块的储能电感电流小于预设断续导通临界电流阈值、或系统处于故障恢复阶段时，判定为极限失稳工况；

12、所述参数补偿单元内置预建立的温度-电压特性曲线与负载电阻-电压特性曲线，包含温度与控制参考电压、负载电阻与扰动步长的映射关系；可通过查表或拟合运算得到对应补偿

13、量，结合实时检测的光伏组件温度与系统负载等效电阻，对控制参考电压和扰动步长进行前馈修正；其中，系统负载等效电阻通过实时采集的输出母线电压与输出负载电流比值实时求解获得，可精准表征负载动态变化特性。

14、通过双阈值与状态检测相结合将运行工况精准划分为四类并分别适配最优控制策略，同时依据温度与负载曲线查表前馈修正控制参考电压与扰动步长，有效克服温度漂移与负载变化对最大功率点位置的偏移影响，提升跟踪精度与稳态稳定性。

15、所述boost升压变换模块包括储能电感、功率开关器件、续流二极管和母线稳压电容；所述储能电感串联于所述boost升压变换模块的输入正端与开关节点之间；所述功率开关器件的第一端连接所述开关节点，第二端连接输入负端；所述续流二极管的阳极连接所述开关节点，阴极连接输出正端；所述母线稳压电容并联连接于输出正端与输出负端之间；

16、所述功率开关器件在所述驱动模块输出的pwm占空比调节信号的控制下周期性导通与关断，通过调节占空比连续控制升压增益并动态改变光伏端口等效阻抗；

17、所述储能电感的电感值大于boost升压变换模块在全运行工况下连续导通模式(ccm)与断续导通模式(dcm)的临界电感值，确保储能电感电流全程保持连续，从硬件参数层面锁定连续导通模式。

18、通过使储能电感值严格大于全工况临界电感值，从硬件参数层面锁定boost升压变换模块的储能电感电流连续的电流连续模式，从根本上杜绝boost升压变换模块的储能电感电流断续引起的拓扑非线性畸变与mppt算法跟踪失效，保证系统在全工况范围内的稳定升压与可靠运行。

19、所述电压电流采样模块包括电压采样支路和电流采样支路；

20、所述电压采样支路通过分压电阻网络对光伏端口电压进行分压采样，得到表征光伏端口瞬时电压信号的电压采样信号；

21、所述电流采样支路通过串联于光伏输入回路的电流检测元件采集光伏输入回路的瞬时电流，得到表征光伏端口瞬时电流信号的电流采样信号；

22、所述电压采样支路与电流采样支路接收自适应混合mppt 控制模块输出的同步采集触发信号，在每一个pwm开关周期的起始时刻同步执行采样，确保采集到的瞬时电压信号与瞬时电流信号对应同一开关状态时刻，有效规避所述功率开关器件开关瞬态产生的尖峰噪声与振荡干扰，保证采样数据高保真度。

23、电压、电流双采样支路在每一开关周期起始时刻同步触发，消除两路信号间的相位差并避开开关瞬态噪声，提高瞬时功率及|dp/dv|计算的准确度，为工况识别与变步长调节提供可靠的数据基础。

24、本发明还提供一种自适应混合mppt控制的光伏发电boost变换控制方法，应用于上述的系统，其包括：

25、第一步骤、系统上电后，控制系统完成硬件初始化并执行软启动流程，当软启动结束时切换为mppt跟踪运行模式；

26、第二步骤、同步采集光伏端口的瞬时电压信号和瞬时电流信号，计算瞬时功率并求解光伏输出功率对光伏端口电压的变化率的绝对值|dp/dv|，将|dp/dv|与预设的动态高阈值和稳态低阈值进行比较，识别当前工况类别；

27、第三步骤、根据所述工况类别在恒压控制、扰动观察法和电导增量法三种控制模式之间自适应切换，并采用与|dp/dv|线性耦合的自适应变步长策略调节扰动步长，输出pwm占空比调节信号驱动功率开关器件；

28、第四步骤、根据实时检测的光伏组件温度和系统负载等效电阻，对控制参考电压和扰动步长进行实时前馈修正，抵消温度漂移与负载变化的影响；

29、循环执行步骤第二步骤至第四步骤，持续维持最大功率点运行。

30、以统一的采样、识别、切换、补偿闭环流程，兼顾启动平稳性、跟踪快速性与稳态精度，使控制方法与系统硬件协同配合，在不同环境条件下持续维持最大功率点运行。

31、所述步骤第三步骤中根据所述工况类别自适应切换控制模式包括：

32、当识别为强扰动动态工况时，切换至扰动观察法控制模式，并以与|dp/dv|线性耦合的较大扰动步长快速跟踪最大功率点；

33、当识别为高精度稳态工况时，切换至电导增量法控制模式，以较小的扰动步长在最大功率点附近进行高精度跟踪；

34、当识别为平缓过渡工况时，将扰动观察法与电导增量法的输出的占空比调节量进行加权融合，根据|dp/dv|在该过渡区间内的位置确定加权系数；

35、当识别为极限失稳工况时，切换至恒压控制模式，将光伏端口电压钳位于预设的恒压参考值。

36、针对不同工况自适应匹配最优控制算法并在过渡区采用加权融合，兼顾强扰动下的快速跟踪能力、稳态下的高精度以及极限失稳下的可靠兜底，显著改善系统整体动态响应与稳态性能。

37、所述步骤第三步骤中与|dp/dv|线性耦合的自适应变步长策略满足：

38、δd(k) = k·|dp/dv|；

39、其中，δd(k)为第k个控制周期扰动步长对应的占空比调节量，k为预设的步长耦合系数；

40、所述扰动步长随|dp/dv|的增大而增大、随|dp/dv|的减小而减小，并在|dp/dv|趋小时趋近于零。

41、扰动步长与功率对电压变化率线性耦合，使工作点远离最大功率点时步长自动增大以提升跟踪速度、临近最大功率点时步长自动收敛于零以消除稳态振荡，兼顾跟踪速度与稳态精度。

42、所述步骤第一步骤中的软启动流程包括：

43、控制所述功率开关器件的占空比自零起按预设级差逐级递增至初始运行占空比，且每一级占空比均保持预设保持时长，使光伏端口电压和母线电压在软启动过程中平缓上升。

44、软启动流程使占空比由零逐级平缓抬升并保持各级稳定时间，避免上电瞬间电容等效短路导致的大电流浪涌与电压超调，保证系统平稳、无冲击地进入正常工作状态。

45、还包括故障保护与自动恢复步骤：

46、实时监测光伏端口电压、电流及母线电压，当检测到过压、过流或母线短路故障时，封锁pwm输出使功率开关器件关断，进入故障保护状态；

47、当故障消除后，重新执行步骤第一步骤中的软启动流程，使光伏端口电压和母线电压平缓上升至正常运行范围，再切换回mppt跟踪运行模式。

48、故障保护在异常工况下及时封锁pwm关断功率开关器件以保护系统与器件，故障消除后通过软启动流程自动恢复运行，显著提升系统的安全性、可靠性与可维护性，避免故障扩大或需人工干预。

49、所述电导增量法控制模式中，实时计算光伏端口的电导增量以及瞬时电导；当电导增量大于瞬时电导的负值时，判定工作点处于最大功率点左侧，增大光伏端口电压；当电导增量小于瞬时电导的负值时，判定工作点处于最大功率点右侧，减小光伏端口电压；当电导增量等于瞬时电导的负值时，判定到达最大功率点，保持当前光伏端口电压不变。

50、电导增量法通过比较电导增量与瞬时电导实时、无差地判定工作点相对最大功率点的位置关系并对应调整电压方向，实现最大功率点的精确无差定位与稳定跟踪，尤其适用于高精度稳态工况。