基于占空比的無電流傳感器最大功率點跟蹤系統

盧丹萍，韋忠善，明鑫

(廣西職業技術學院計算機與電子信息工程系，南寧530226)

基于占空比的無電流傳感器最大功率點跟蹤系統

盧丹萍，韋忠善*，明鑫

(廣西職業技術學院計算機與電子信息工程系，南寧530226)

為降低能量收集系統的功率損耗，提出了一種基于占空比的無電流傳感器最大功率點跟蹤MPPT(Maximum Power Point Tracking)系統。傳統的MPPT方法需要進行直流測量或開路電壓測量，而本文提出的算法利用滯后切換信息預估發電機的輸出功率，可以實現保持最大功率提取，無需進行直流測量。采用MSP430微控制器進行了實現，并調整MPPT算法以適合熱電發電機的特性。滯后電壓調節器能夠將熱電發電機輸出電壓維持在參考電平上，因此可以根據給定的溫度條件下提取最大功率。實驗分析結果表明，提出的MPPT能量收集系統結構簡單、成本較低、功率損耗低，且適用于各類小規模可持續發電。

無電流傳感器;MSP430;最大功率點跟蹤(MPPT);熱電能量轉換

過去的一個世紀，隨著世界總人口的不斷增長［1-2］，全球能耗需求也隨之不斷增加，因此太陽能光伏和風力發電等可再生能源收集系統得到了快速的發展，提供了兆瓦級的大規模供電［3-4］。相應地，也存在針對各種小規模可持續能源的能量收集，如:機械振動、汽車排氣及磚窯產生的余熱和微生物燃料電池等［5］。

為了優化可再生能源的發電能力，許多學者提出了最大功率點跟蹤MPPT(Maximum Power Point Tracking)技術。在實際運用中，可根據發電機的特性對MPPT技術進行了優化設計，并對運行環境作出反應［6］。通過使MPPT技術滿足小規模需求及收集發電機的特性，可進一步提高效率、增加功率輸出［7］。

目前使用的大多數MPPT技術都是為風電及太陽能光伏應用研發的，依賴于對發電機輸出功率的直接測量［8］。但對于大規模能源發電，這并不是最佳選擇，原因在于測量連續電流的過程復雜、成本高，并且相較于收集到的功率，需要相應比例的少量功測量電壓。雖然大多數MPPT算法可密切跟蹤發電情況，并且將其維持在MPP的水平或接近MPP的水平，但還是可以通過限制相關的損失及功率損耗，來顯著提高效率。如使用基于功率損耗低的微控制器的方法來實現［9］。

基于此，本文提出了使用滯后電壓調節器的無電流傳感器MPPT算法。利用滯后切換信息預估發電機的輸出功率，可一直提取最大功率，而無需進行直流測量。未進行電流測量的MPPT可大大簡化跟蹤控制系統，提高效率。最終通過將熱電發電機TEG(The Thermoelectric Generator)當作能源進行了實際測試。本文提出的方法由理論推導而出，經實驗驗證，最終取得了較好結果。

1 MPPT技術原理

擾動觀測技術廣泛應用于功率由太陽能光伏陣列生成的應用程序［10］。在離散時間間隔內，基于擾動觀測技術的MPPT系統會對當前操作點任意一側的發電機發電情況進行抽樣檢查，然后向較高功率的發電機移動。由于擾動觀測是基于發電機的輸出，因此幾乎不需要了解發電機對不同激勵的反應特性。擾動觀測技術簡便易行，廣泛用于各種不同的應用領域。

增量電導是一種可以避免擾動觀測上MPP產生振動的方法。增量電導對發電機Gd的I-V曲線斜率與電導系數Gs的負值進行了比較［11-12］。I-V曲線的任何點上，電壓都低于MPP，Gd＞Gs，且操作點會向前移至較高的電壓處，直到到達MPP，其中Gd=Gs。在Gs＞Gd的點上，操作點會向前移至較低的電壓處。在MPP處抽樣停止;當電流移動至新的MPP時重新開始抽樣。

部分開路電壓法利用了MPP電壓和開路電壓之間的關系［3］。通過用開關斷開電源或切斷功率轉換器定期對開路電壓進行抽樣，確定給定條件下的MPP電壓。由于熱電發電機的線性伏安特性，該方法對熱電發電機系統是有利的。盡管基于開路電壓的方法不需要測量功率，但是方法的實施比較復雜，會暫時造成功率損耗。

最近提出的MPPT技術使用了單一電壓傳感器，無需進行電流測量。為了發現和追蹤MPP，根據瞬時電壓［10］計算出輸出功率導數;除了電流測量，還根據系統信息計算出最優阻抗，并且觀察到了負載電壓。然而，該方法會擾亂功率轉換器的占空比［4］。

2 提出的最大功率點跟蹤算法

大多數MPPT算法利用輸出功率定位MPP。盡管它們非常有效，但是需要外部功率測量及單獨的電壓調節系統。本文提出了無電流傳感器MPPT控制器。根據滯后電壓調節器的切換信息，利用相對功率估算追蹤MPP，無需進行直流測量。本文提出的方法簡單，無需了解系統參數的先驗性就可追蹤MPP。圖1是本文提出的控制系統的總示意圖。熱電發電機輸出電壓由滯后電壓調節器控制，并且切換信息用于相對功率估算。利用通過低通濾波器的脈沖寬度調制(PWM)信號，微控制器可用于計算相對功率，并生成滯后電壓調節器的參考電壓。

圖1 本文提出的熱電發電機的能量收集系統示意圖

2.1 滯后電壓調節器

滯后比較器用于調節參考值附近電壓帶內熱電發電機的輸出電壓。本文提出的方法利用占空比信息檢測輸出功率趨勢。比較器的輸出調制了功率轉換器的場效應管(MOSFET)，由熱電發電機瞬時輸出電壓進行控制。熱電發電機的輸出電壓會隨著MOSFET來回切換接通和斷開狀態下降或升高。因此，熱電發電機輸出一直保持在閾值設置的電壓帶內。滯后電壓調節器有高電壓閾值(VthH)和低電壓閾值(VthL)，閾值如下所示:

式中:VoH和VoL是比較器輸出電壓的高值和低值。圖2表示閘控信號如何與熱電發電機電壓形成關聯。圖2是滯后電壓調節器的配置。

圖2 滯后電壓調節器的滯后電壓帶閾值VthH和VthL以及MOSFET閘控信號輸出VG

采用微控制器實現了滯后電壓調節器，所以，內部切換時間信息可用于MPPT，通過微控制器的內部計數器和比較器的中斷服務可獲取信息。提出系統中的功率收集是基于電感器的充電/放電循環。因此，圖1也是本文采用的典型升壓轉換器示意圖。

2.2 相對功率估算

在本文提出的方案中，利用電源開關開閉的時間間隔測量相對熱電發電機輸出功率，時間間隔由滯后電壓調節器確定，用于控制切換期的熱電發電機輸出電壓。由于提出的算法無法預估精確的輸出功率，也就不需要了解熱電發電機或控制器參數的先驗性。

滯后電壓調節器有兩種運行模式，即連續導電模式(CCM)和斷續導電模式(DCM)。盡管這些模式取決于發電機的強度和負載情況，實際上，MOSFET接通連續時間和熱電發電機輸出功率之間的關系在兩種模式下幾乎一樣。

(1)CCM:CCM有兩種狀態:在MOSFET的接通狀態下，熱電發電機的功率用于向功率轉換器的電感器充電。因此，輸出電流會增加，發電機電壓會降低。一旦發電機的輸出電壓達到較低的閾值，MOSFET會關閉，發電機電壓會增加。圖3是根據CCM運行的時間得到的發電機電壓、電流及閘控信號。MOSFET的接通狀態和斷開狀態由滯后電壓調節器控制。ΔT1和ΔT2分別是MOSFET接通狀態和斷開狀態的持續時間，且電壓和電流的變化接近于線性。

圖3 CCM運行下的熱電發電機電流、電壓及閘控信號

圖4是MOSFET接通狀態下的升壓轉換器等效電路。熱電發電機輸出電壓可用于電感器，表示如下:

在滯后控制器將MOSFET調成接通狀態的瞬間，VTEG=VthH。由于熱電發電機的時間常量較大，電感器電壓即發電機輸出電壓近似于下列等式:

式中:v2(t)是MOSFET接通狀態下功率轉換器的瞬時輸出電壓，VthL和VthH分別是滯帶的高電壓閾值和低電壓閾值，ΔT2是MOSFET處于接通狀態的時間。MOSFET剛開始處于接通狀態時，t=0。熱電發電機輸出電壓開始是高電壓閾值VthH，然后減少至VthL，直到MOSFET關閉。

圖4 MOSFET接通狀態下的升壓轉換器變成了簡易R－L電路

式中:i2(t)是MOSFET接通狀態下的瞬時輸出電流。利用式5)，可以得出:

通過電感器iL(t)的輸出電流可表示為:

式中:I0表示CCM運行期間電感器電流的恒定部分。

通過乘以MOSFET接通狀態下功率轉換器的瞬時電流、電壓和瞬時功率即P2(t)可獲得下列等式:

一段時間內功率的集成生成了同一時間內消耗的總能量。

且重新插入式(8)會獲得下列公式:

平均電壓可定義為:

并且在MOSFET接通狀態下從發電機獲取的能量及功率可表示為:

式中:穩定狀態下的平均功率Pccm可表示為:

由上可知，當功率輸出發生變化時，可由穩定狀態下的接通持續時間ΔT2和I0計算功率輸出，原因在于滯后電壓調節器可以使/2L時間保持恒定。對于MPPT控制，發電量和MPP方向都會瞬時發生較大變化，并且僅靠監測平均電壓和ΔT2就可獲取有關信息。即使電感由于某些運行條件發生改變，也不會影響MPPT性能，原因在于控制帶寬比參數變化更快，且熱動態緩慢。

(2)DCM:當有關負載的電源變得微弱時，DCM就會運行，因此，熱電發電機電壓達到VthH之前，二極管會變成反向偏置。在DCM運行期間，同樣存在接通狀態和斷開狀態，和CCM一樣，但是卻增加了第3種狀態—無電流狀態。圖5是根據DCM運行期間的時間得到的發電機電壓、電流及閘控信號。MOSFET的接通狀態和斷開狀態由滯后電壓調節器控制。MOSFET處于斷開狀態時，電流損耗為零比電壓升高更快，會造成ΔT3期間產生無電流狀態。

圖5 DCM運行下的熱電發電機電流、電壓及閘控信號

類似分析CCM一樣，可計算出DCM運行期間發電機的能量和功率輸出。斷開狀態、接通狀態及無電流狀態分別由下標1～3表示。由于發電機通過ΔT1和ΔT2的能量相同，但是不存在通過ΔT3傳遞的能量，切換期TSW內總能量輸出能量Edcm可表示為:在切換期內，TSW=T1+T2+T3，平均功率輸出

Pdcm變成:

式中

可見，MOSFET接通狀態的時間周期也可表示DCM運行時穩定狀態下的功率變化。盡管需要利用常量m精確計算功率，MPPT卻不需要，原因在于僅通過平均電壓和ΔT2就可檢測出功率變化的方向。

3 最大功率點跟蹤控制流程

本文提出的MPPT控制器包括滯后電壓調節器和參考電壓產生器。參考電壓產生器在每個切換期都會監測MOSFET接通持續時間ΔT2內發生的變化。當檢測出變化時，會校正參考電壓朝著發電量增加的方向，熱電發電機電壓會跟隨滯后電壓調節器的平均參考電壓。如果利用微控制器就可以實現控制系統，明確需要測量切換時間和生成參考電壓。此外，一旦達到MPP，本文提出的MPPT算法不會產生震動，原因在于無需對功率進行實際測量就可以檢測出發電量產生的變化，這一點與傳統的擾動觀測技術不同。

圖6是本文提出的MPPT方案流程圖。本文方案中的無限循環包括VREF調節、ΔT2監測、相對功率計算及MPP檢測塊。當計算出的相對功率隨著VREF調節不斷變化時，可公開MPP，并且算法會進入ΔT2監測模式。當ΔT2的變化超過預定閾值時，會中止ΔT2監測模式，搜索新的MPP。對于響應時間短的發電機或對環境變化較敏感的發電機，如太陽能光伏發電機或振動發電機，諧波振動必須與發電機的響應時間保持一致。本文提出的MPPT方法簡單明了，生產成本小，有利于小規模可持續發電。

圖6 本文提出的MPPT算法流程圖

本文方案中的典型MPPT運行描述如下:

(1)MPP初次搜索假設初始操作點位于圖7的A點。最初，控制器會從A點搜索B點上的MPP。當溫差變化導致操作點從B點變為C點時，控制器會將操作點移至D點上的新MPP。利用擾動觀測算法，MPPT控制器首次用于測量功率的變化，且參考電壓有擾動。可輕易檢測出朝向B點的方向，并且MPPT控制器生成了經過校正朝向VB的VREF。隨著VREF的減少，每個切換期的ΔT2會一直增加，發電量也會增加，如式(24)和式(29)所示，直到在B點開始減少。滯后電壓調節器會將熱電發電機的操作點一直維持在B點即MPP，也會將熱電發電機輸出電壓一直維持在VB，直到改變的ΔT2檢測出溫差變化。

圖7 本文中能量收集系統的MPPT控制

(2)追蹤變化的MPP假設熱電發電機輸出特性即I-V和P-V曲線會因溫差增加而產生變化。當溫差穩定在一個新的數值時，熱電發電機的操作點會在新的功率曲線上從B點移至C點，如圖7所示，原因在于滯后電壓調節器會將熱電發電機電壓維持在VB，C(平均)。然而，ΔT2會增加，這表明PB到PC的功率在增加。MPPT控制器對此進行了檢測，然后重新搜索MPP，利用P＆O校正P＆O，直到操作點到達了D點上的新MPP。

4 實驗驗證

4.1 系統和實驗設置

利用德州儀器(TI)的MSP430開發套件實現了本文提出的MPPT能量收集系統。套件有MSP430-G2553微控制器和連接PC的USB接口。MSP430微控制器的優勢在于功率損耗低、內置外圍設備種類多樣以及成本低。在此實驗中，利用MSP430內置的計時器、比較器及PWM發電機實現了MPPT控制器和滯后電壓調節器，上述機器分別用于監測切換時間、生成閘控信號、控制基準電壓。如圖1所示，僅需要最少的外部零件;圖8是控制器的樣機。利用德州儀器(TI)的MSP430開發套件實現了提出的系統，僅需要最少的外部零件。

圖8 提出的MPPT控制器和升壓轉換器的樣機

電阻器可用于確定滯后電壓帶，R-C過濾器從PWM信號生成平滑VREF，作為基準級用于滯后控制。在本實驗中，式(7)和式(8)中的VoH和VoL分別為5 V和0 V。為了使紋波最小，選擇的R4為1 500Ω，R3為30Ω。這樣，(R3+R4)/R4≈1。因此，滯后電壓帶閾值可改寫為:

利用比較器的中斷服務程序(ISR)和MSP430的內部對切換時間ΔT2進行測量。只要比較器的輸出改變了狀態，就會引起中斷。頻率為1 MHz時，計數器讀數就會增加;利用計數器讀數之間的差異可以輕易獲取MOSFET的接通持續時間和斷開持續時間。

實驗使用的升壓轉換器包括450μH電感器、N溝道MOSFET(NTD4906N-35G)以及3-F 2.5 V超級電容器(M1020-2R5305-R)。通用型電容器用于控制負載電流。圖8也是功率轉換器的樣機。本實驗使用的熱電發電機是基于Bi-Te的模塊(G2-30-0313)。

4.2 實驗結果分析

在23℃、54℃、85℃、99℃和126℃5個溫差下測試樣機系統。在本實驗中，調整MPPT算法使其穩態誤差變小。盡管這會導致算法的調整時間變長，卻會與環境變化有關且變化緩慢的熱電發電機輸出一致。只要熱端溫度發生變化，調整時間會為30 min～45 min。

圖9和圖10是給定的溫差下熱電發電機的功率和電流輸出。使用了平均電壓，但是熱電發電機輸出電壓紋波會因滯帶小而變小。此外，對實測操作點進行了繪制，表明MPPT控制器可以在給定溫度的MPP下運行系統。如此可見，運行較好地維持在了P-V曲線的操作峰值點，且V熱電發電機=OCV/2。

圖9 給定溫差下的P－V曲線

操作特性曲線是根據實測操作數據點繪制的，從中發現了給定溫差下的精確MPP，隨后與實測操作點進行比較。本文提出的MPPT方案取得了較好結果;獲取了MPP實驗和特性化數據之間的功率和電壓誤差。

表1是其結果。VmL、PmL、VmH和PmH表示由提出的系統控制的MPP實際熱電發電機輸出電壓和功率的下限和上限。VerrL、PerrL、VerrH和PerrH分別表示計算出的MPP與MPP實際熱電發電機輸出電壓下限和上限之間的電壓和功率誤差。

圖10 給定溫差下的I－V特性

表1 實驗結果

圖11是在ΔT=54℃的實驗中捕捉到的熱電發電機和MSP430瞬時輸出波形。分別在chs.2和4可看出低通濾波VREF和PWM源信號。將VREF反饋至MSP430，作為比較器的基準輸入，比較器的輸出(ch.3)用作升壓轉換器的閘控信號。

圖11 在ΔT=54℃的運行中捕捉到的熱電發電機和MSP430微控制器輸出波形

圖12是當MPP從262mV轉變為510mV時的熱電發電機電壓瞬變，轉變原因在于電爐溫度發生了變化。由于電爐溫度發生變化，MPP從262 mV轉變為510 mV。如此可見，控制器可以很好地追蹤不同的MPP。同樣測試了輸出電容器的負載電流變化(1 mA～10 mA)。熱電發電機的MPP是溫差的函數，并非負載條件。

圖12 提出的MPPT方案的瞬態響應

圖13證實了負載電流變化不會影響MPP，然而電容器電壓會下降，原因在于負載電流逐步增加。如此可見，熱電發電機一直維持在MPP處，然而，電容器電壓會下降，原因在于負載電流增加(0～10mA)。

圖13 對輸出負載變化的響應

5 結論

本文提出了一種無電流傳感器MPPT能量收集系統，該系統基于滯后電壓調節器的切換信息運行，原因在于功率變化是MOSFET接通持續時間的函數。提出的MPPT方案實施簡單、價格低，且不需要直接測量輸出電流，適用于各種帶有相似輸出特性的發電機，可與各種功率轉換器一起使用。本文提出的方案經過了分析和實驗驗證，取得了較好結果。

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盧丹萍(1983-)，女，壯族，碩士，講師，研究方向為自動控制技術，智能電子技術;

韋忠善(1972-)，男，壯族，碩士，副教授，研究方向為電子技術和計算機仿真技術，weizs530226@126.com;

明鑫(1983-)，男，漢族，碩士，講師，研究方向為智能電子技術，物聯網技術，mingxinnn@163.com。

Current-Sensorless M aximum Power Tracking System Based on Duty Cycle

LU Danping，WEIZhongshan*，MING Xin

(Department of Computer and Electronic Information Engineering，Guangxi Polytechnic，Nanning 530226，China)

In order to reduce the power loss of the energy collection system，a new Power Point Tracking(MPPT) system based on duty cycle is proposed.Traditional MPPT methods need to be measured by DC or open circuit voltage.The proposed scheme can achieve themaximum power extraction without the need of DCmeasurement.The MSP430 microcontroller is implemented，and the MPPT algorithm is adjusted to suit the characteristics of the thermoelectric generator.The lagging voltage regulator is capable of maintaining the output voltage of the thermoelectric generator at the reference level so that themaximum power can be extracted according to the given temperature condition.Experimental results show that the proposed MPPT energy collection system has simple structure，low cost，low power consumption，and can be used for all kinds of small scale sustainable power generation.Key words:no current sensor;MSP430;the maximum power point tracking(MPPT);the thermoelectric energy conversion

C:8300;7320D

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.018

TP212

:A

:1005－9490(2017)01－0091－07

2015-10-11修改日期:2015-10-31