一种基于最大峰值电流的新颖MPPT控制算法

陈彭浩　方宇　谭彦峰　万阳慧

摘 要：针对反激型并网微逆变器中最大功率点跟踪控制（Maximum Power Point Tracking， MPPT），本文研究了一种新颖的基于峰值电流采样的最大功率点跟踪控制算法，并提出了一种由阻塞二极管和偏置二极管相组合的电流采样电路和方法。与传统的MPPT最大功率点计算方法相比，采用本文的方法不需要通过光伏组件输入电压与相应的输入电流相乘来计算实际的功率，而只需根據检测采样到的开关管峰值电流，进行大小比较便能得到光伏组件的最大功率点，从而可省去输入电压的采样电路，节约成本，并简化了最大功率点计算的复杂程度，节省控制芯片的资源，最终实现了MPPT的快速控制算法。本文的方法无需采样输入电压大小，提高了并网微逆变器的效率。 实验结果验证了本文所研究方法的正确性。

关键词：并网发电；微型逆变器；最大功率点跟踪；峰值电流采样

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

0 引言

近年来传统化石能源不断枯竭，光伏发电行业的发展呈现出逐年递增的趋势。随着技术的不断进步，光伏逆变器也有朝小型化，模块化的方向发展的趋势。光伏逆变器对功率密度、转换效率的要求越来越高；电路结构日趋简化，硬件成本日趋低廉[1]。

在传统的光伏并网微逆变器模块中，常用的计算最大功率点的方法是对光伏组件的输出电压和输出电流进行采样，从而计算出光伏电池板的实际输出功率。再通过三点比较法、登山法、扰动法等手段实现最大功率点的跟踪。实现这样的控制方法就需要对输出电压和输出电流进行采样。在光伏并网微逆变器中，对光伏组件输出电流的采样，常见的是通过采样电阻将电流信号转化为电压信号。电流流过采样电阻时会在电阻上产生热损耗，因而降低了整个电路的能量转换效率[2]。为了尽可能的降低损耗，就需要使用较小阻值的大功率采样电阻，但带来的缺点是在采样电阻上产生的压降会变小，此时就需要一个放大电路将采样电阻上得到的小电压信号放大成可供DSP处理的模拟信号，这增加了电路的复杂程度。另一种常见的电流采样器件是电流互感器，电流互感器是一种利用变压器原副边电流与线圈匝数成反比的特性，将大电流信号转换成小电流信号，进而对小信号进行调理。这种采样方式的优点是可以做到隔离采样，精度高；缺点是成本较高、电路复杂、且只适用于高频脉冲电流的采样[3-4]。为此，本文提出一种新颖的电流采样方式，在此基础上提出了一种快速MPPT最大功率点算法。

1 传统技术回顾

传统最大功率点跟踪是通过先采样光伏电池组件的平均输入电压和平均输入电流，再将平均输入电压和平均输入电流进行乘运算得到光伏组件的输出功率。这种方法需要通过电压采样电路、电流采样电路对平均输入电压和平均输入电流进行采样，硬件成本相对比较高[5]。

另一种计算最大功率点的方法是：通过电流互感器得到反激型微逆变器主开关管中的峰值电流，将这个峰值电流与采样得到的光伏电池组件的输入电压相乘，得到一个瞬时光伏组件的输出功率。通过这个瞬时功率的比较从而得到最大功率点。这种方式存在一个严重的缺陷：在开关频率一定的条件下，瞬时输入功率是峰值电流的增函数关系，而与输入电压无关，但进行最大功率跟踪控制时，光伏组件的输出电压是实时变化的，故采用这种方法计算得到的最大功率点是不正确的[6]。

以上传统的两种最大功率点计算方法都需要采集光伏组件的输出电压。

2 新型电流采样电路原理

2.1 电流采样原理

新型电流采样电路如图1和图2所示。PWM发生器的输出连到驱动电路的输入，驱动电路的输出分成两路，一路连到开关电源主电路中开关管的门极限流电阻以控制MOSFET开关管的通断，另一路连限流电阻后分成两路，分别连到阻塞二极管D2的阳极和偏置二极管D3的阳极，阻塞二极管D2的阴极再连到开关电源主电路中MOSFET开关管的漏极，偏置二极管D3的阴极再连到运放的正相端，通过放大调理电路将信号送给单片机或DSP。PWM发生器发出脉冲控制信号时，高电平时，开关电源主电路中的开关管导通，主电路中的电流通过开关管，在开关管的导通电阻上产生电压降落，此时阻塞二极管因承受正向电压而导通，并在其阳极得到一个电压值，该电压值等于导通电阻上的电压降和二极管导通电压降之和，再经偏置二极管电压降补偿后送到运放正向输入端，只要偏置二极管和阻塞二极管选择相同型号，就可以认为运放的输入端所得到的电压等于MOSFET开关管导通电阻上的压降，也就得到了流过开关管中电流的精确测量[7-8]。

2.2 新颖的最大功率点计算方法

新颖MPPT算法是利用对反激电路峰值电流进行采样来实现最大功率点的跟踪。具体分析为：逆变器输出到电网的波形是与电网电压同步的正弦波，在正弦波的波峰和波谷时输出电流最大，此时反激电路中流过的峰值电流也最大，设此时反激电路中的峰值电流为Ipk，在一个开关周期内的平均电流为Ip，光伏组件的输出电压为Ui，输出电流为Ii可得公式1：

从公式6可以看出逆变器的输入功率Pi与I2pk成正比，且I2pk是Ipk的增函数（Ipk > 0）。基于以上分析，本文提出：在进行最大功率跟踪时，可以通过跟踪Ipk最大值来实现最大功率跟踪，而不需要用输入电压与输入电流相乘得到具体的功率，从而节省了程序的资源，提高了算法的速度。同时通过这种MPPT的控制算法可以去除输入电压的采样，从而降低成本。

2.3 新型MPPT算法程序设计

图3为MPPT控制的流程框图，软件启动之后进行上电检测。检测通过之后，软件给输出给定电流一个很小的初始值。一段时间之后将输出给定电流增加一个很小的电流值△I。比较前后两次的峰值电流，如果后者峰值电流比前者大，那么输出给定电流增加△I，如果后者峰值电流比前者小，那么输出给定电流减小△I。最终输出给定电流会在一个很小的范围内摆动，实现最大功率的跟踪。

根据上述理论分析，在实际测试中发现，在整个电网周期中，只针对最大的峰值电流Ipk进行计算，存在一定误差，需要多次采用取平均来降低干扰。然而这样会降低最大功率跟踪的速度。在此基础上，进一步研究得公式7：

Ipki代表一个电网周期内每个开关周期內变压器原边峰值电流的大小，N表示一个电网周期内峰值电流的采样次数，Ipk为单个电网周期内峰值电流的最大值，k为常数。由公式7可以看出逆变器的单个周期峰值电流之和是单个周期内最大峰值电流Ipk的单调增函数（Ipk > 0）。由于单调增函数的反函数也是单调增函数，所以Ipk也是的单调

增函数。这样我们就可以知道，是光伏为逆变器Pi的单调增函

数（Ipki>0）。通过采样每个开关周期的峰值电流求和的方法可有效提高抗干扰能力，增强系统稳定性。MPPT算法程序如图4所示。

3 实验结果

3.1 电流采样电路测试波形

从图5可以看出，在A点处，光伏并网微逆变器开始输出功率，在B点处到达最大功率点。B点之后PV电压在小范围内扰动。

如图6所示，当开关管门极为高电平时，CH1所示的Q1的漏级接地，此时CH3所示的D3阴极电压开始上升，差分放大电路的输出波形CH2同步上升。电压达到峰值时，DSP的ADC引脚对其进行采样。

3.2 新型MPPT算法测试波形

如图7所示，当并网发电功能启动时，并网电流从零开始增加，约20s后，输出功率跟踪到最大功率点，并稳定输出。

图8为光伏逆变器处于最大输出功率下的并网电流和并网电压波形。从图中可以看出，并网电流和并网电压在相位上是同步的。

图9为上文传统技术回顾中提到的，利用变压器原边峰值电流与采样得到的光伏电池组件的输入电压相乘的方法，得到光伏组件的瞬时输出功率来实现最大功率跟踪。图10为本文提出的将峰值电流之和进行比较实现最大功率跟踪。通过这两幅图的对比可以证明，将峰值电流之和进行最大功率点跟踪的方法是更为准确的。

4 结束语

本文针对反激型并网发电微型逆变器中的最大功率点计算方法，提出了一种由阻塞二极管和偏置二极管相结合的电流检测电路，并给出一种新颖的最大功率点快速算法。所提出的电流检测电路，成本低廉，且采样电流精度高。研究的最大功率点计算方法具有程序代码少，计算效率高的优点。基于峰值电流的最大功率点快速算法的MPPT跟踪控制能实现能量的高效传输，且无需引入光伏组件的输入电压进行运算，节省了成本，从而提高了光伏并网微逆变器的性价比。

参考文献：

[1]陈明浩，陈乾宏，任小永，杨鸣强.开放式电源模块损耗及散热的分析与优化[J].南京航空航天大学学报，2014（08）：544-551.

[2]胡长武，李宝国，王兰梦，滕宁宁.基于Boost电路的光伏发电MPPT控制系统仿真研究[J].光电技术应用，2014（01）.

[3]于月森，戚文艳.Buck-Boost变换器的环路补偿及仿真[J].电测与仪表，2014（08）.

[4]余运俊，汪硕承，薛云涛，霍佳贺，王欢.一种光伏发电软开关直流升压电路[J].电测与仪表，2016（16）.

[5]邢珊珊，田素立，王振华，周俊华.光伏MPPT系统电压控制器的优化设计[J].电力系统保护与控制，2016（12）.

[6]孙航，杜海江，季迎旭，杨博.光伏分布式MPPT机理分析与仿真研究[J].电力系统保护与控制，2015（02）.

[7]陈晓静，张兴，刘淳，李善寿，李本炫.光伏系统2种多峰值MPPT算法对比研究[J].合肥工业大学学报，2014（05）.

[8]高嵩，马红利，何宁，陈超波.改进MPPT算法在光伏发电系统中的应用[J].电测与仪表，2015（08）.

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51377083）

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目（201611117025Z）