基于无电流传感器的光伏MPPT算法仿真

刘会超， 施火泉， 杨公德

(江南大学物联网工程学院，江苏无锡214122)

太阳能以取之不尽、用之不竭的特点受到人们的广泛关注，但太阳能电池转换效率低、前期投入大，且输出特性受外部环境影响显著，因此充分利用光伏电池转换后的能量是对光伏系统的基本要求［1］。通过对光伏电池最大功率点的跟踪(MPPT)可保证其始终工作在最大功率点处，有效提高太阳能电池的效率。

传统的MPPT算法有电导增量法、扰动观察法、恒定电压法等，都需要同时检测光伏电池电压和电流。电流检测大都采用电流传感器，电流传感器体积大、成本较高，导致整个系统的体积增大且成本升高。针对此问题，文中将采用无电流传感器的算法实现最大功率点的跟踪。在光伏组件的输出端和Boost电路的输入端之间并联电容，通过开关管导通期间光伏阵列、电容与Boost电路升压电感之间能量守恒计算光伏电池的输出电流，进而求出输出功率，从而实现无电流传感器最大功率点的跟踪［2］。

1 系统描述

1．1 光伏阵列数学模型

用Matlab实现对光伏阵列数学模型的建模。假设在参考条件下，Voc为开路电压，Isc为短路电流，Vm，Im为最大功率点处的电压和电流。当温度和太阳辐射变化且光伏电池输出电压为V时，其对应的电流为

其中:

式中:Rref，Tref分别为太阳辐射强度和光伏电池温度的参考值，一般为1 000 W/m2，25℃;α，β分别为在参考光照强度下，电流和电压的温度变化系数。

光伏电池的输出特性受温度、光照强度和负载的影响，随着光伏输出电压的增加，输出功率呈现出先增加后减少的趋势，存在一个端电压值，在其附近光伏电池输出最大功率。

1．2 Boost电路

Boost电路［3］是一种非隔离的提高输入电压的直流/直流变换器，通过控制开关管的占空比以控制输出电压的大小。文中采用Boost电路实现光伏电池最大功率点的跟踪，并且该电路工作在连续工作模式下。采用Boost电路的目的是提升逆变器的输入电压。Boost电路模型如图1所示。

图1 Boost升压电路Fig．1 Boost circuit

Boost电路升压比为

式中:Vin为Boost电路输入电压;Vo为输出负载R上的电压;D为占空比。

2 无电流传感器的MPPT算法原理

在光伏组件的输出端和Boost电路的输入端之间并联电容C1，在IGBT导通期间，光伏阵列、电容和升压电感三者之间的能量遵循能量守恒定律［4-7］，由此计算出光伏电池的输出电流。

在Boost电路整个工作周期中，流过负载的平均电流为

假设Boost电路所有元器件都是理想的，则输入输出满足能量守恒，则输入电流和输出电流之间的关系为

联立式(5)～式(7)可得流过电感的平均电流

在开关管导通期间，光伏电池输出、电容和电感上的能量变化遵守能量守恒，则有

其中，Wi为光伏电池在开关管导通期间输出的总能量;ΔWC，ΔWL为电容和电感上能量变化。

其中:I为一个周期内光伏电池输出的平均电流;Ut1，Ut2分别为IGBT导通和关断时刻电容两端的电压;Vin为一个开关周期内IGBT导通期间光伏电池输出的平均电压;IM，Im分别为流过电感的最大值和最小值，且二者之差为

联立式(9)～式(13)可得

其中，ΔVin为IGBT导通和关断时电容电压的变化量。因此，可由式(15)计算得到光伏电池的输出电流。

无电流传感器MPPT的算法流程如图2所示。

图2 无电流检测MPPT流程Fig．2 Flowchart of the current sensorless MPPT

3 仿真及实验结果

为了验证无电流传感器检测MPPT方法的合理性和有效性，在Matlab中进行仿真，并采用爬山法实现最大功率点的跟踪。光伏电池的开路电压和短路电流为37 V，8．54 A。光照强度在0．1 s时由1 000 W/m2变为 800 W/m2。

Boost电路参数见表1。

表1 Boost电路参数Tab．1 Parameters of the boost circuit

图3 光伏系统模型Fig．3 Model of the PV system

仿真实验通过比较光伏电池输出电流的测量值和计算值及二者之间的差值验证该方案的合理性。

图4为在相同温度和光照强度条件下，电流传感器检测的电流及计算得出的电流波形。

图4 电流实际值和计算值Fig．4 Actual value and the calculated value of the current

由图4可知，在相同温度条件下，在0．1 s时刻，随着光照强度的变化，通过计算得出的电流波形具有更小的电流降，系统的稳定性提高，电流具有更小的波动范围。

在相同光照强度和温度条件下，由计算得到的光伏阵列计算值和实际值及光伏阵列的输出功率如图5和图6所示。

图5 电流误差Fig．5 Current error

图6 光伏阵列输出功率Fig．6 Output power of the PV array

由图5可以看出，在光伏阵列工作在稳定状态时，由计算得出的电流值和实际测量电流值仅相差0．1～0．2 A，在外界发生变化时，能迅速的回到稳定状态。

由图6可以看到，当外界光照强度或温度发生变化时，系统能迅速回到最大功率点处，实现了对光伏阵列最大功率点的跟踪。由此可以证明基于无电流传感器光伏MPPT算法的有效性。

4 结语

文中采用了一种新颖的基于无电流传感器检测MPPT算法，只需检测光伏侧电容电压就可以实现对MPPT的控制。采用此方法节省了系统空间，降低了成本，具有很好的经济效益。通过Matlab仿真验证了此方案的可行性。

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