基于無電流傳感器的光伏MPPT算法仿真

劉會超， 施火泉， 楊公德

(江南大學物聯網工程學院，江蘇無錫214122)

太陽能以取之不盡、用之不竭的特點受到人們的廣泛關注，但太陽能電池轉換效率低、前期投入大，且輸出特性受外部環境影響顯著，因此充分利用光伏電池轉換后的能量是對光伏系統的基本要求［1］。通過對光伏電池最大功率點的跟蹤(MPPT)可保證其始終工作在最大功率點處，有效提高太陽能電池的效率。

傳統的MPPT算法有電導增量法、擾動觀察法、恒定電壓法等，都需要同時檢測光伏電池電壓和電流。電流檢測大都采用電流傳感器，電流傳感器體積大、成本較高，導致整個系統的體積增大且成本升高。針對此問題，文中將采用無電流傳感器的算法實現最大功率點的跟蹤。在光伏組件的輸出端和Boost電路的輸入端之間并聯電容，通過開關管導通期間光伏陣列、電容與Boost電路升壓電感之間能量守恒計算光伏電池的輸出電流，進而求出輸出功率，從而實現無電流傳感器最大功率點的跟蹤［2］。

1 系統描述

1．1 光伏陣列數學模型

用Matlab實現對光伏陣列數學模型的建模。假設在參考條件下，Voc為開路電壓，Isc為短路電流，Vm，Im為最大功率點處的電壓和電流。當溫度和太陽輻射變化且光伏電池輸出電壓為V時，其對應的電流為

其中:

式中:Rref，Tref分別為太陽輻射強度和光伏電池溫度的參考值，一般為1 000 W/m2，25℃;α，β分別為在參考光照強度下，電流和電壓的溫度變化系數。

光伏電池的輸出特性受溫度、光照強度和負載的影響，隨著光伏輸出電壓的增加，輸出功率呈現出先增加后減少的趨勢，存在一個端電壓值，在其附近光伏電池輸出最大功率。

1．2 Boost電路

Boost電路［3］是一種非隔離的提高輸入電壓的直流/直流變換器，通過控制開關管的占空比以控制輸出電壓的大小。文中采用Boost電路實現光伏電池最大功率點的跟蹤，并且該電路工作在連續工作模式下。采用Boost電路的目的是提升逆變器的輸入電壓。Boost電路模型如圖1所示。

圖1 Boost升壓電路Fig．1 Boost circuit

Boost電路升壓比為

式中:Vin為Boost電路輸入電壓;Vo為輸出負載R上的電壓;D為占空比。

2 無電流傳感器的MPPT算法原理

在光伏組件的輸出端和Boost電路的輸入端之間并聯電容C1，在IGBT導通期間，光伏陣列、電容和升壓電感三者之間的能量遵循能量守恒定律［4-7］，由此計算出光伏電池的輸出電流。

在Boost電路整個工作周期中，流過負載的平均電流為

假設Boost電路所有元器件都是理想的，則輸入輸出滿足能量守恒，則輸入電流和輸出電流之間的關系為

聯立式(5)～式(7)可得流過電感的平均電流

在開關管導通期間，光伏電池輸出、電容和電感上的能量變化遵守能量守恒，則有

其中，Wi為光伏電池在開關管導通期間輸出的總能量;ΔWC，ΔWL為電容和電感上能量變化。

其中:I為一個周期內光伏電池輸出的平均電流;Ut1，Ut2分別為IGBT導通和關斷時刻電容兩端的電壓;Vin為一個開關周期內IGBT導通期間光伏電池輸出的平均電壓;IM，Im分別為流過電感的最大值和最小值，且二者之差為

聯立式(9)～式(13)可得

其中，ΔVin為IGBT導通和關斷時電容電壓的變化量。因此，可由式(15)計算得到光伏電池的輸出電流。

無電流傳感器MPPT的算法流程如圖2所示。

圖2 無電流檢測MPPT流程Fig．2 Flowchart of the current sensorless MPPT

3 仿真及實驗結果

為了驗證無電流傳感器檢測MPPT方法的合理性和有效性，在Matlab中進行仿真，并采用爬山法實現最大功率點的跟蹤。光伏電池的開路電壓和短路電流為37 V，8．54 A。光照強度在0．1 s時由1 000 W/m2變為 800 W/m2。

Boost電路參數見表1。

表1 Boost電路參數Tab．1 Parameters of the boost circuit

圖3 光伏系統模型Fig．3 Model of the PV system

仿真實驗通過比較光伏電池輸出電流的測量值和計算值及二者之間的差值驗證該方案的合理性。

圖4為在相同溫度和光照強度條件下，電流傳感器檢測的電流及計算得出的電流波形。

圖4 電流實際值和計算值Fig．4 Actual value and the calculated value of the current

由圖4可知，在相同溫度條件下，在0．1 s時刻，隨著光照強度的變化，通過計算得出的電流波形具有更小的電流降，系統的穩定性提高，電流具有更小的波動范圍。

在相同光照強度和溫度條件下，由計算得到的光伏陣列計算值和實際值及光伏陣列的輸出功率如圖5和圖6所示。

圖5 電流誤差Fig．5 Current error

圖6 光伏陣列輸出功率Fig．6 Output power of the PV array

由圖5可以看出，在光伏陣列工作在穩定狀態時，由計算得出的電流值和實際測量電流值僅相差0．1～0．2 A，在外界發生變化時，能迅速的回到穩定狀態。

由圖6可以看到，當外界光照強度或溫度發生變化時，系統能迅速回到最大功率點處，實現了對光伏陣列最大功率點的跟蹤。由此可以證明基于無電流傳感器光伏MPPT算法的有效性。

4 結語

文中采用了一種新穎的基于無電流傳感器檢測MPPT算法，只需檢測光伏側電容電壓就可以實現對MPPT的控制。采用此方法節省了系統空間，降低了成本，具有很好的經濟效益。通過Matlab仿真驗證了此方案的可行性。

［1］嚴陸光，倪受元，李安定，等．太陽能與風力發電的現狀與展望［J］．電網技術，1995，19(5):1-9．YAN Luguang，NI Shouyuan，LI Anding，et al．Status and perspective of solar and wind power generation［J］．Power System Technology，1995，19(5):1-9．(in Chinese)

［2］張超，何湘寧．短路電流結合擾動觀察法在光伏發電最大功率點跟蹤控制中的應用［J］．中國電機工程學報，2006，26(20):98-102．ZHANG Chao，HE Xiangning．Short-current combined with per turbation and observation maximum power point tracking method for photovoltaic power systems［J］．Proceedings of the CSEE，2006，26(20):98-102．(in Chinese)

［3］Urayai C，Amaratunga G A J．Single sensor boost converter-based maximum power point tracking algorithms［C］//Applied Power Electronic Conference and Exposition．Fort Worth，Tx:IEEE，2011:1238-1243．

［4］Abu Tariq，Jamil Asghar M S．Development of microcontroller-based maximum power point tracker for a photovoltaic panel［C］//IEEE Power India Conference．New Delhi，India:IEEE，2006．

［5］Itako K，Mori T．A new current sensorless MPPT control method for PV generation systems［C］//Proc 2005 European Conference on Power Electronics and Applications．Dresdon:IEEE，2005:1-9．

［6］Kasa N，Iida T，CHEN L．Flyback inverter controlled by sensorless current MPPT for photovoltaic power system［J］．IEEE Trans on Industrial Electronics，2005，52(4):1145 －1152．

［7］Dousoky G M，Ahmed E M，Shoyama M．Current-sensorless MPPT with DC-DC boost converter for Photovoltaic battery chargers［C］//Energy Conversion Congress and Exposition．Raleigh，NC:IEEE，2012:1607-1614．