一種基于最大峰值電流的新穎MPPT控制算法

陳彭浩　方宇　譚彥峰　萬陽慧

摘 要：針對(duì)反激型并網(wǎng)微逆變器中最大功率點(diǎn)跟蹤控制（Maximum Power Point Tracking， MPPT），本文研究了一種新穎的基于峰值電流采樣的最大功率點(diǎn)跟蹤控制算法，并提出了一種由阻塞二極管和偏置二極管相組合的電流采樣電路和方法。與傳統(tǒng)的MPPT最大功率點(diǎn)計(jì)算方法相比，采用本文的方法不需要通過光伏組件輸入電壓與相應(yīng)的輸入電流相乘來計(jì)算實(shí)際的功率，而只需根據(jù)檢測采樣到的開關(guān)管峰值電流，進(jìn)行大小比較便能得到光伏組件的最大功率點(diǎn)，從而可省去輸入電壓的采樣電路，節(jié)約成本，并簡化了最大功率點(diǎn)計(jì)算的復(fù)雜程度，節(jié)省控制芯片的資源，最終實(shí)現(xiàn)了MPPT的快速控制算法。本文的方法無需采樣輸入電壓大小，提高了并網(wǎng)微逆變器的效率。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所研究方法的正確性。

關(guān)鍵詞：并網(wǎng)發(fā)電；微型逆變器；最大功率點(diǎn)跟蹤；峰值電流采樣

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.256

0 引言

近年來傳統(tǒng)化石能源不斷枯竭，光伏發(fā)電行業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)出逐年遞增的趨勢。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，光伏逆變器也有朝小型化，模塊化的方向發(fā)展的趨勢。光伏逆變器對(duì)功率密度、轉(zhuǎn)換效率的要求越來越高；電路結(jié)構(gòu)日趨簡化，硬件成本日趨低廉[1]。

在傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)微逆變器模塊中，常用的計(jì)算最大功率點(diǎn)的方法是對(duì)光伏組件的輸出電壓和輸出電流進(jìn)行采樣，從而計(jì)算出光伏電池板的實(shí)際輸出功率。再通過三點(diǎn)比較法、登山法、擾動(dòng)法等手段實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。實(shí)現(xiàn)這樣的控制方法就需要對(duì)輸出電壓和輸出電流進(jìn)行采樣。在光伏并網(wǎng)微逆變器中，對(duì)光伏組件輸出電流的采樣，常見的是通過采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。電流流過采樣電阻時(shí)會(huì)在電阻上產(chǎn)生熱損耗，因而降低了整個(gè)電路的能量轉(zhuǎn)換效率[2]。為了盡可能的降低損耗，就需要使用較小阻值的大功率采樣電阻，但帶來的缺點(diǎn)是在采樣電阻上產(chǎn)生的壓降會(huì)變小，此時(shí)就需要一個(gè)放大電路將采樣電阻上得到的小電壓信號(hào)放大成可供DSP處理的模擬信號(hào)，這增加了電路的復(fù)雜程度。另一種常見的電流采樣器件是電流互感器，電流互感器是一種利用變壓器原副邊電流與線圈匝數(shù)成反比的特性，將大電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成小電流信號(hào)，進(jìn)而對(duì)小信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。這種采樣方式的優(yōu)點(diǎn)是可以做到隔離采樣，精度高；缺點(diǎn)是成本較高、電路復(fù)雜、且只適用于高頻脈沖電流的采樣[3-4]。為此，本文提出一種新穎的電流采樣方式，在此基礎(chǔ)上提出了一種快速M(fèi)PPT最大功率點(diǎn)算法。

1 傳統(tǒng)技術(shù)回顧

傳統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤是通過先采樣光伏電池組件的平均輸入電壓和平均輸入電流，再將平均輸入電壓和平均輸入電流進(jìn)行乘運(yùn)算得到光伏組件的輸出功率。這種方法需要通過電壓采樣電路、電流采樣電路對(duì)平均輸入電壓和平均輸入電流進(jìn)行采樣，硬件成本相對(duì)比較高[5]。

另一種計(jì)算最大功率點(diǎn)的方法是：通過電流互感器得到反激型微逆變器主開關(guān)管中的峰值電流，將這個(gè)峰值電流與采樣得到的光伏電池組件的輸入電壓相乘，得到一個(gè)瞬時(shí)光伏組件的輸出功率。通過這個(gè)瞬時(shí)功率的比較從而得到最大功率點(diǎn)。這種方式存在一個(gè)嚴(yán)重的缺陷：在開關(guān)頻率一定的條件下，瞬時(shí)輸入功率是峰值電流的增函數(shù)關(guān)系，而與輸入電壓無關(guān)，但進(jìn)行最大功率跟蹤控制時(shí)，光伏組件的輸出電壓是實(shí)時(shí)變化的，故采用這種方法計(jì)算得到的最大功率點(diǎn)是不正確的[6]。

以上傳統(tǒng)的兩種最大功率點(diǎn)計(jì)算方法都需要采集光伏組件的輸出電壓。

2 新型電流采樣電路原理

2.1 電流采樣原理

新型電流采樣電路如圖1和圖2所示。PWM發(fā)生器的輸出連到驅(qū)動(dòng)電路的輸入，驅(qū)動(dòng)電路的輸出分成兩路，一路連到開關(guān)電源主電路中開關(guān)管的門極限流電阻以控制MOSFET開關(guān)管的通斷，另一路連限流電阻后分成兩路，分別連到阻塞二極管D2的陽極和偏置二極管D3的陽極，阻塞二極管D2的陰極再連到開關(guān)電源主電路中MOSFET開關(guān)管的漏極，偏置二極管D3的陰極再連到運(yùn)放的正相端，通過放大調(diào)理電路將信號(hào)送給單片機(jī)或DSP。PWM發(fā)生器發(fā)出脈沖控制信號(hào)時(shí)，高電平時(shí)，開關(guān)電源主電路中的開關(guān)管導(dǎo)通，主電路中的電流通過開關(guān)管，在開關(guān)管的導(dǎo)通電阻上產(chǎn)生電壓降落，此時(shí)阻塞二極管因承受正向電壓而導(dǎo)通，并在其陽極得到一個(gè)電壓值，該電壓值等于導(dǎo)通電阻上的電壓降和二極管導(dǎo)通電壓降之和，再經(jīng)偏置二極管電壓降補(bǔ)償后送到運(yùn)放正向輸入端，只要偏置二極管和阻塞二極管選擇相同型號(hào)，就可以認(rèn)為運(yùn)放的輸入端所得到的電壓等于MOSFET開關(guān)管導(dǎo)通電阻上的壓降，也就得到了流過開關(guān)管中電流的精確測量[7-8]。

2.2 新穎的最大功率點(diǎn)計(jì)算方法

新穎MPPT算法是利用對(duì)反激電路峰值電流進(jìn)行采樣來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。具體分析為：逆變器輸出到電網(wǎng)的波形是與電網(wǎng)電壓同步的正弦波，在正弦波的波峰和波谷時(shí)輸出電流最大，此時(shí)反激電路中流過的峰值電流也最大，設(shè)此時(shí)反激電路中的峰值電流為Ipk，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均電流為Ip，光伏組件的輸出電壓為Ui，輸出電流為Ii可得公式1：

從公式6可以看出逆變器的輸入功率Pi與I2pk成正比，且I2pk是Ipk的增函數(shù)（Ipk > 0）?；谝陨戏治?，本文提出：在進(jìn)行最大功率跟蹤時(shí)，可以通過跟蹤Ipk最大值來實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，而不需要用輸入電壓與輸入電流相乘得到具體的功率，從而節(jié)省了程序的資源，提高了算法的速度。同時(shí)通過這種MPPT的控制算法可以去除輸入電壓的采樣，從而降低成本。

2.3 新型MPPT算法程序設(shè)計(jì)

圖3為MPPT控制的流程框圖，軟件啟動(dòng)之后進(jìn)行上電檢測。檢測通過之后，軟件給輸出給定電流一個(gè)很小的初始值。一段時(shí)間之后將輸出給定電流增加一個(gè)很小的電流值△I。比較前后兩次的峰值電流，如果后者峰值電流比前者大，那么輸出給定電流增加△I，如果后者峰值電流比前者小，那么輸出給定電流減小△I。最終輸出給定電流會(huì)在一個(gè)很小的范圍內(nèi)擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)最大功率的跟蹤。

根據(jù)上述理論分析，在實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)電網(wǎng)周期中，只針對(duì)最大的峰值電流Ipk進(jìn)行計(jì)算，存在一定誤差，需要多次采用取平均來降低干擾。然而這樣會(huì)降低最大功率跟蹤的速度。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究得公式7：

Ipki代表一個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)變壓器原邊峰值電流的大小，N表示一個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)峰值電流的采樣次數(shù)，Ipk為單個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)峰值電流的最大值，k為常數(shù)。由公式7可以看出逆變器的單個(gè)周期峰值電流之和是單個(gè)周期內(nèi)最大峰值電流Ipk的單調(diào)增函數(shù)（Ipk > 0）。由于單調(diào)增函數(shù)的反函數(shù)也是單調(diào)增函數(shù)，所以Ipk也是的單調(diào)

增函數(shù)。這樣我們就可以知道，是光伏為逆變器Pi的單調(diào)增函

數(shù)（Ipki>0）。通過采樣每個(gè)開關(guān)周期的峰值電流求和的方法可有效提高抗干擾能力，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。MPPT算法程序如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 電流采樣電路測試波形

從圖5可以看出，在A點(diǎn)處，光伏并網(wǎng)微逆變器開始輸出功率，在B點(diǎn)處到達(dá)最大功率點(diǎn)。B點(diǎn)之后PV電壓在小范圍內(nèi)擾動(dòng)。

如圖6所示，當(dāng)開關(guān)管門極為高電平時(shí)，CH1所示的Q1的漏級(jí)接地，此時(shí)CH3所示的D3陰極電壓開始上升，差分放大電路的輸出波形CH2同步上升。電壓達(dá)到峰值時(shí)，DSP的ADC引腳對(duì)其進(jìn)行采樣。

3.2 新型MPPT算法測試波形

如圖7所示，當(dāng)并網(wǎng)發(fā)電功能啟動(dòng)時(shí)，并網(wǎng)電流從零開始增加，約20s后，輸出功率跟蹤到最大功率點(diǎn)，并穩(wěn)定輸出。

圖8為光伏逆變器處于最大輸出功率下的并網(wǎng)電流和并網(wǎng)電壓波形。從圖中可以看出，并網(wǎng)電流和并網(wǎng)電壓在相位上是同步的。

圖9為上文傳統(tǒng)技術(shù)回顧中提到的，利用變壓器原邊峰值電流與采樣得到的光伏電池組件的輸入電壓相乘的方法，得到光伏組件的瞬時(shí)輸出功率來實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。圖10為本文提出的將峰值電流之和進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。通過這兩幅圖的對(duì)比可以證明，將峰值電流之和進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤的方法是更為準(zhǔn)確的。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)反激型并網(wǎng)發(fā)電微型逆變器中的最大功率點(diǎn)計(jì)算方法，提出了一種由阻塞二極管和偏置二極管相結(jié)合的電流檢測電路，并給出一種新穎的最大功率點(diǎn)快速算法。所提出的電流檢測電路，成本低廉，且采樣電流精度高。研究的最大功率點(diǎn)計(jì)算方法具有程序代碼少，計(jì)算效率高的優(yōu)點(diǎn)?；诜逯惦娏鞯淖畲蠊β庶c(diǎn)快速算法的MPPT跟蹤控制能實(shí)現(xiàn)能量的高效傳輸，且無需引入光伏組件的輸入電壓進(jìn)行運(yùn)算，節(jié)省了成本，從而提高了光伏并網(wǎng)微逆變器的性價(jià)比。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳明浩，陳乾宏，任小永，楊鳴強(qiáng).開放式電源模塊損耗及散熱的分析與優(yōu)化[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（08）：544-551.

[2]胡長武，李寶國，王蘭夢，滕寧寧.基于Boost電路的光伏發(fā)電MPPT控制系統(tǒng)仿真研究[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2014（01）.

[3]于月森，戚文艷.Buck-Boost變換器的環(huán)路補(bǔ)償及仿真[J].電測與儀表，2014（08）.

[4]余運(yùn)俊，汪碩承，薛云濤，霍佳賀，王歡.一種光伏發(fā)電軟開關(guān)直流升壓電路[J].電測與儀表，2016（16）.

[5]邢珊珊，田素立，王振華，周俊華.光伏MPPT系統(tǒng)電壓控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2016（12）.

[6]孫航，杜海江，季迎旭，楊博.光伏分布式MPPT機(jī)理分析與仿真研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015（02）.

[7]陳曉靜，張興，劉淳，李善壽，李本炫.光伏系統(tǒng)2種多峰值MPPT算法對(duì)比研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（05）.

[8]高嵩，馬紅利，何寧，陳超波.改進(jìn)MPPT算法在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電測與儀表，2015（08）.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51377083）

基金項(xiàng)目：國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201611117025Z）