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：針對反激型并網微逆變器中最大功率點跟蹤控制（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。與傳統的MPPT最大功率點計算方法相比，采用本文的方法不需要通過光伏組件輸入電壓與相應的輸入電流相乘來計算實際的功率，而只需根據檢測采樣到的開關管峰值電流，進行大小比較便能得到光伏組件的最大功率點，從而可省去輸入電壓的采樣電路，節約成本，并簡化了最大功率點計算的復雜程度，節省控制芯片的資源，最終實現了MPPT的快速控制算法。本文的方法無需采樣輸入電壓大小，提高了并網微逆變器的效率。 實驗結果驗證了本文所研究方法的正確性。

關鍵詞：并網發電；微型逆變器；最大功率點跟蹤；峰值電流采樣

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

0 引言

近年來傳統化石能源不斷枯竭，光伏發電行業的發展呈現出逐年遞增的趨勢。隨著技術的不斷進步，光伏逆變器也有朝小型化，模塊化的方向發展的趨勢。光伏逆變器對功率密度、轉換效率的要求越來越高；電路結構日趨簡化，硬件成本日趨低廉[1]。

在傳統的光伏并網微逆變器模塊中，常用的計算最大功率點的方法是對光伏組件的輸出電壓和輸出電流進行采樣，從而計算出光伏電池板的實際輸出功率。再通過三點比較法、登山法、擾動法等手段實現最大功率點的跟蹤。實現這樣的控制方法就需要對輸出電壓和輸出電流進行采樣。在光伏并網微逆變器中，對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轉化為電壓信號。電流流過采樣電阻時會在電阻上產生熱損耗，因而降低了整個電路的能量轉換效率[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，但帶來的缺點是在采樣電阻上產生的壓降會變小，此時就需要一個放大電路將采樣電阻上得到的小電壓信號放大成可供DSP處理的模擬信號，這增加了電路的復雜程度。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成反比的特性，將大電流信號轉換成小電流信號，進而對小信號進行調理。這種采樣方式的優點是可以做到隔離采樣，精度高；缺點是成本較高、電路復雜、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，在此基礎上提出了一種快速MPPT最大功率點算法。

1 傳統技術回顧

傳統最大功率點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行乘運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、電流采樣電路對平均輸入電壓和平均輸入電流進行采樣，硬件成本相對比較高[5]。

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

以上傳統的兩種最大功率點計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發生器的輸出連到驅動電路的輸入，驅動電路的輸出分成兩路，一路連到開關電源主電路中開關管的門極限流電阻以控制MOSFET開關管的通斷，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的陰極再連到開關電源主電路中MOSFET開關管的漏極，偏置二極管D3的陰極再連到運放的正相端，通過放大調理電路將信號送給單片機或DSP。PWM發生器發出脈沖控制信號時，高電平時，開關電源主電路中的開關管導通，主電路中的電流通過開關管，在開關管的導通電阻上產生電壓降落，此時阻塞二極管因承受正向電壓而導通，并在其陽極得到一個電壓值，該電壓值等于導通電阻上的電壓降和二極管導通電壓降之和，再經偏置二極管電壓降補償后送到運放正向輸入端，只要偏置二極管和阻塞二極管選擇相同型號，就可以認為運放的輸入端所得到的電壓等于MOSFET開關管導通電阻上的壓降，也就得到了流過開關管中電流的精確測量[7-8]。

2.2 新穎的最大功率點計算方法

新穎MPPT算法是利用對反激電路峰值電流進行采樣來實現最大功率點的跟蹤。具體分析為：逆變器輸出到電網的波形是與電網電壓同步的正弦波，在正弦波的波峰和波谷時輸出電流最大，此時反激電路中流過的峰值電流也最大，設此時反激電路中的峰值電流為Ipk，在一個開關周期內的平均電流為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（Ipk > 0）。基于以上分析，本文提出：在進行最大功率跟蹤時，可以通過跟蹤Ipk最大值來實現最大功率跟蹤，而不需要用輸入電壓與輸入電流相乘得到具體的功率，從而節省了程序的資源，提高了算法的速度。同時通過這種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算法程序設計

圖3為MPPT控制的流程框圖，軟件啟動之后進行上電檢測。檢測通過之后，軟件給輸出給定電流一個很小的初始值。一段時間之后將輸出給定電流增加一個很小的電流值△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在一個很小的范圍內擺動，實現最大功率的跟蹤。

根據上述理論分析，在實際測試中發現，在整個電網周期中，只針對最大的峰值電流Ipk進行計算，存在一定誤差，需要多次采用取平均來降低干擾。然而這樣會降低最大功率跟蹤的速度。在此基礎上，進一步研究得公式7：

Ipki代表一個電網周期內每個開關周期內變壓器原邊峰值電流的大小，N表示一個電網周期內峰值電流的采樣次數，Ipk為單個電網周期內峰值電流的最大值，k為常數。由公式7可以看出逆變器的單個周期峰值電流之和是單個周期內最大峰值電流Ipk的單調增函數（Ipk > 0）。由于單調增函數的反函數也是單調增函數，所以Ipk也是的單調

增函數。這樣我們就可以知道，是光伏為逆變器Pi的單調增函

數（Ipki>0）。通過采樣每個開關周期的峰值電流求和的方法可有效提高抗干擾能力，增強系統穩定性。MPPT算法程序如圖4所示。

3 實驗結果

3.1 電流采樣電路測試波形

從圖5可以看出，在A點處，光伏并網微逆變器開始輸出功率，在B點處到達最大功率點。B點之后PV電壓在小范圍內擾動。

如圖6所示，當開關管門極為高電平時，CH1所示的Q1的漏級接地，此時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。電壓達到峰值時，DSP的ADC引腳對其進行采樣。

3.2 新型MPPT算法測試波形

如圖7所示，當并網發電功能啟動時，并網電流從零開始增加，約20s后，輸出功率跟蹤到最大功率點，并穩定輸出。

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

圖9為上文傳統技術回顧中提到的，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輸出功率來實現最大功率跟蹤。圖10為本文提出的將峰值電流之和進行比較實現最大功率跟蹤。通過這兩幅圖的對比可以證明，將峰值電流之和進行最大功率點跟蹤的方法是更為準確的。

4 結束語

本文針對反激型并網發電微型逆變器中的最大功率點計算方法，提出了一種由阻塞二極管和偏置二極管相結合的電流檢測電路，并給出一種新穎的最大功率點快速算法。所提出的電流檢測電路，成本低廉，且采樣電流精度高。研究的最大功率點計算方法具有程序代碼少，計算效率高的優點。基于峰值電流的最大功率點快速算法的MPPT跟蹤控制能實現能量的高效傳輸，且無需引入光伏組件的輸入電壓進行運算，節省了成本，從而提高了光伏并網微逆變器的性價比。

參考文獻：

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基金項目：國家自然科學基金資助項目（51377083）

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃項目（201611117025Z）