盧丹萍，韋忠善，明鑫

(廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)與電子信息工程系，南寧530226)

基于占空比的無(wú)電流傳感器最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)

盧丹萍，韋忠善*，明鑫

(廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)與電子信息工程系，南寧530226)

為降低能量收集系統(tǒng)的功率損耗，提出了一種基于占空比的無(wú)電流傳感器最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT(Maximum Power Point Tracking)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的MPPT方法需要進(jìn)行直流測(cè)量或開(kāi)路電壓測(cè)量，而本文提出的算法利用滯后切換信息預(yù)估發(fā)電機(jī)的輸出功率，可以實(shí)現(xiàn)保持最大功率提取，無(wú)需進(jìn)行直流測(cè)量。采用MSP430微控制器進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，并調(diào)整MPPT算法以適合熱電發(fā)電機(jī)的特性。滯后電壓調(diào)節(jié)器能夠?qū)犭姲l(fā)電機(jī)輸出電壓維持在參考電平上，因此可以根據(jù)給定的溫度條件下提取最大功率。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明，提出的MPPT能量收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、功率損耗低，且適用于各類小規(guī)?？沙掷m(xù)發(fā)電。

無(wú)電流傳感器;MSP430;最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT);熱電能量轉(zhuǎn)換

過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)，隨著世界總?cè)丝诘牟粩嘣鲩L(zhǎng)［1-2］，全球能耗需求也隨之不斷增加，因此太陽(yáng)能光伏和風(fēng)力發(fā)電等可再生能源收集系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展，提供了兆瓦級(jí)的大規(guī)模供電［3-4］。相應(yīng)地，也存在針對(duì)各種小規(guī)?？沙掷m(xù)能源的能量收集，如:機(jī)械振動(dòng)、汽車排氣及磚窯產(chǎn)生的余熱和微生物燃料電池等［5］。

為了優(yōu)化可再生能源的發(fā)電能力，許多學(xué)者提出了最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT(Maximum Power Point Tracking)技術(shù)。在實(shí)際運(yùn)用中，可根據(jù)發(fā)電機(jī)的特性對(duì)MPPT技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)運(yùn)行環(huán)境作出反應(yīng)［6］。通過(guò)使MPPT技術(shù)滿足小規(guī)模需求及收集發(fā)電機(jī)的特性，可進(jìn)一步提高效率、增加功率輸出［7］。

目前使用的大多數(shù)MPPT技術(shù)都是為風(fēng)電及太陽(yáng)能光伏應(yīng)用研發(fā)的，依賴于對(duì)發(fā)電機(jī)輸出功率的直接測(cè)量［8］。但對(duì)于大規(guī)模能源發(fā)電，這并不是最佳選擇，原因在于測(cè)量連續(xù)電流的過(guò)程復(fù)雜、成本高，并且相較于收集到的功率，需要相應(yīng)比例的少量功測(cè)量電壓。雖然大多數(shù)MPPT算法可密切跟蹤發(fā)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(guò)限制相關(guān)的損失及功率損耗，來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)［9］。

基于此，本文提出了使用滯后電壓調(diào)節(jié)器的無(wú)電流傳感器MPPT算法。利用滯后切換信息預(yù)估發(fā)電機(jī)的輸出功率，可一直提取最大功率，而無(wú)需進(jìn)行直流測(cè)量。未進(jìn)行電流測(cè)量的MPPT可大大簡(jiǎn)化跟蹤控制系統(tǒng)，提高效率。最終通過(guò)將熱電發(fā)電機(jī)TEG(The Thermoelectric Generator)當(dāng)作能源進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。本文提出的方法由理論推導(dǎo)而出，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終取得了較好結(jié)果。

1 MPPT技術(shù)原理

擾動(dòng)觀測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于功率由太陽(yáng)能光伏陣列生成的應(yīng)用程序［10］。在離散時(shí)間間隔內(nèi)，基于擾動(dòng)觀測(cè)技術(shù)的MPPT系統(tǒng)會(huì)對(duì)當(dāng)前操作點(diǎn)任意一側(cè)的發(fā)電機(jī)發(fā)電情況進(jìn)行抽樣檢查，然后向較高功率的發(fā)電機(jī)移動(dòng)。由于擾動(dòng)觀測(cè)是基于發(fā)電機(jī)的輸出，因此幾乎不需要了解發(fā)電機(jī)對(duì)不同激勵(lì)的反應(yīng)特性。擾動(dòng)觀測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)便易行，廣泛用于各種不同的應(yīng)用領(lǐng)域。

增量電導(dǎo)是一種可以避免擾動(dòng)觀測(cè)上MPP產(chǎn)生振動(dòng)的方法。增量電導(dǎo)對(duì)發(fā)電機(jī)Gd的I-V曲線斜率與電導(dǎo)系數(shù)Gs的負(fù)值進(jìn)行了比較［11-12］。I-V曲線的任何點(diǎn)上，電壓都低于MPP，Gd＞Gs，且操作點(diǎn)會(huì)向前移至較高的電壓處，直到到達(dá)MPP，其中Gd=Gs。在Gs＞Gd的點(diǎn)上，操作點(diǎn)會(huì)向前移至較低的電壓處。在MPP處抽樣停止;當(dāng)電流移動(dòng)至新的MPP時(shí)重新開(kāi)始抽樣。

部分開(kāi)路電壓法利用了MPP電壓和開(kāi)路電壓之間的關(guān)系［3］。通過(guò)用開(kāi)關(guān)斷開(kāi)電源或切斷功率轉(zhuǎn)換器定期對(duì)開(kāi)路電壓進(jìn)行抽樣，確定給定條件下的MPP電壓。由于熱電發(fā)電機(jī)的線性伏安特性，該方法對(duì)熱電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是有利的。盡管基于開(kāi)路電壓的方法不需要測(cè)量功率，但是方法的實(shí)施比較復(fù)雜，會(huì)暫時(shí)造成功率損耗。

最近提出的MPPT技術(shù)使用了單一電壓傳感器，無(wú)需進(jìn)行電流測(cè)量。為了發(fā)現(xiàn)和追蹤MPP，根據(jù)瞬時(shí)電壓［10］計(jì)算出輸出功率導(dǎo)數(shù);除了電流測(cè)量，還根據(jù)系統(tǒng)信息計(jì)算出最優(yōu)阻抗，并且觀察到了負(fù)載電壓。然而，該方法會(huì)擾亂功率轉(zhuǎn)換器的占空比［4］。

2 提出的最大功率點(diǎn)跟蹤算法

大多數(shù)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(cè)量及單獨(dú)的電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)。本文提出了無(wú)電流傳感器MPPT控制器。根據(jù)滯后電壓調(diào)節(jié)器的切換信息，利用相對(duì)功率估算追蹤MPP，無(wú)需進(jìn)行直流測(cè)量。本文提出的方法簡(jiǎn)單，無(wú)需了解系統(tǒng)參數(shù)的先驗(yàn)性就可追蹤MPP。圖1是本文提出的控制系統(tǒng)的總示意圖。熱電發(fā)電機(jī)輸出電壓由滯后電壓調(diào)節(jié)器控制，并且切換信息用于相對(duì)功率估算。利用通過(guò)低通濾波器的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)，微控制器可用于計(jì)算相對(duì)功率，并生成滯后電壓調(diào)節(jié)器的參考電壓。

圖1 本文提出的熱電發(fā)電機(jī)的能量收集系統(tǒng)示意圖

2.1 滯后電壓調(diào)節(jié)器

滯后比較器用于調(diào)節(jié)參考值附近電壓帶內(nèi)熱電發(fā)電機(jī)的輸出電壓。本文提出的方法利用占空比信息檢測(cè)輸出功率趨勢(shì)。比較器的輸出調(diào)制了功率轉(zhuǎn)換器的場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)，由熱電發(fā)電機(jī)瞬時(shí)輸出電壓進(jìn)行控制。熱電發(fā)電機(jī)的輸出電壓會(huì)隨著MOSFET來(lái)回切換接通和斷開(kāi)狀態(tài)下降或升高。因此，熱電發(fā)電機(jī)輸出一直保持在閾值設(shè)置的電壓帶內(nèi)。滯后電壓調(diào)節(jié)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(hào)如何與熱電發(fā)電機(jī)電壓形成關(guān)聯(lián)。圖2是滯后電壓調(diào)節(jié)器的配置。

圖2 滯后電壓調(diào)節(jié)器的滯后電壓帶閾值VthH和VthL以及MOSFET閘控信號(hào)輸出VG

采用微控制器實(shí)現(xiàn)了滯后電壓調(diào)節(jié)器，所以，內(nèi)部切換時(shí)間信息可用于MPPT，通過(guò)微控制器的內(nèi)部計(jì)數(shù)器和比較器的中斷服務(wù)可獲取信息。提出系統(tǒng)中的功率收集是基于電感器的充電/放電循環(huán)。因此，圖1也是本文采用的典型升壓轉(zhuǎn)換器示意圖。

2.2 相對(duì)功率估算

在本文提出的方案中，利用電源開(kāi)關(guān)開(kāi)閉的時(shí)間間隔測(cè)量相對(duì)熱電發(fā)電機(jī)輸出功率，時(shí)間間隔由滯后電壓調(diào)節(jié)器確定，用于控制切換期的熱電發(fā)電機(jī)輸出電壓。由于提出的算法無(wú)法預(yù)估精確的輸出功率，也就不需要了解熱電發(fā)電機(jī)或控制器參數(shù)的先驗(yàn)性。

滯后電壓調(diào)節(jié)器有兩種運(yùn)行模式，即連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)和斷續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)。盡管這些模式取決于發(fā)電機(jī)的強(qiáng)度和負(fù)載情況，實(shí)際上，MOSFET接通連續(xù)時(shí)間和熱電發(fā)電機(jī)輸出功率之間的關(guān)系在兩種模式下幾乎一樣。

(1)CCM:CCM有兩種狀態(tài):在MOSFET的接通狀態(tài)下，熱電發(fā)電機(jī)的功率用于向功率轉(zhuǎn)換器的電感器充電。因此，輸出電流會(huì)增加，發(fā)電機(jī)電壓會(huì)降低。一旦發(fā)電機(jī)的輸出電壓達(dá)到較低的閾值，MOSFET會(huì)關(guān)閉，發(fā)電機(jī)電壓會(huì)增加。圖3是根據(jù)CCM運(yùn)行的時(shí)間得到的發(fā)電機(jī)電壓、電流及閘控信號(hào)。MOSFET的接通狀態(tài)和斷開(kāi)狀態(tài)由滯后電壓調(diào)節(jié)器控制。ΔT1和ΔT2分別是MOSFET接通狀態(tài)和斷開(kāi)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，且電壓和電流的變化接近于線性。

圖3 CCM運(yùn)行下的熱電發(fā)電機(jī)電流、電壓及閘控信號(hào)

圖4是MOSFET接通狀態(tài)下的升壓轉(zhuǎn)換器等效電路。熱電發(fā)電機(jī)輸出電壓可用于電感器，表示如下:

在滯后控制器將MOSFET調(diào)成接通狀態(tài)的瞬間，VTEG=VthH。由于熱電發(fā)電機(jī)的時(shí)間常量較大，電感器電壓即發(fā)電機(jī)輸出電壓近似于下列等式:

式中:v2(t)是MOSFET接通狀態(tài)下功率轉(zhuǎn)換器的瞬時(shí)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(tài)的時(shí)間。MOSFET剛開(kāi)始處于接通狀態(tài)時(shí)，t=0。熱電發(fā)電機(jī)輸出電壓開(kāi)始是高電壓閾值VthH，然后減少至VthL，直到MOSFET關(guān)閉。

圖4 MOSFET接通狀態(tài)下的升壓轉(zhuǎn)換器變成了簡(jiǎn)易R(shí)－L電路

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

通過(guò)電感器iL(t)的輸出電流可表示為:

式中:I0表示CCM運(yùn)行期間電感器電流的恒定部分。

通過(guò)乘以MOSFET接通狀態(tài)下功率轉(zhuǎn)換器的瞬時(shí)電流、電壓和瞬時(shí)功率即P2(t)可獲得下列等式:

一段時(shí)間內(nèi)功率的集成生成了同一時(shí)間內(nèi)消耗的總能量。

且重新插入式(8)會(huì)獲得下列公式:

平均電壓可定義為:

并且在MOSFET接通狀態(tài)下從發(fā)電機(jī)獲取的能量及功率可表示為:

式中:穩(wěn)定狀態(tài)下的平均功率Pccm可表示為:

由上可知，當(dāng)功率輸出發(fā)生變化時(shí)，可由穩(wěn)定狀態(tài)下的接通持續(xù)時(shí)間ΔT2和I0計(jì)算功率輸出，原因在于滯后電壓調(diào)節(jié)器可以使/2L時(shí)間保持恒定。對(duì)于MPPT控制，發(fā)電量和MPP方向都會(huì)瞬時(shí)發(fā)生較大變化，并且僅靠監(jiān)測(cè)平均電壓和ΔT2就可獲取有關(guān)信息。即使電感由于某些運(yùn)行條件發(fā)生改變，也不會(huì)影響MPPT性能，原因在于控制帶寬比參數(shù)變化更快，且熱動(dòng)態(tài)緩慢。

(2)DCM:當(dāng)有關(guān)負(fù)載的電源變得微弱時(shí)，DCM就會(huì)運(yùn)行，因此，熱電發(fā)電機(jī)電壓達(dá)到VthH之前，二極管會(huì)變成反向偏置。在DCM運(yùn)行期間，同樣存在接通狀態(tài)和斷開(kāi)狀態(tài)，和CCM一樣，但是卻增加了第3種狀態(tài)—無(wú)電流狀態(tài)。圖5是根據(jù)DCM運(yùn)行期間的時(shí)間得到的發(fā)電機(jī)電壓、電流及閘控信號(hào)。MOSFET的接通狀態(tài)和斷開(kāi)狀態(tài)由滯后電壓調(diào)節(jié)器控制。MOSFET處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，電流損耗為零比電壓升高更快，會(huì)造成ΔT3期間產(chǎn)生無(wú)電流狀態(tài)。

圖5 DCM運(yùn)行下的熱電發(fā)電機(jī)電流、電壓及閘控信號(hào)

類似分析CCM一樣，可計(jì)算出DCM運(yùn)行期間發(fā)電機(jī)的能量和功率輸出。斷開(kāi)狀態(tài)、接通狀態(tài)及無(wú)電流狀態(tài)分別由下標(biāo)1～3表示。由于發(fā)電機(jī)通過(guò)ΔT1和ΔT2的能量相同，但是不存在通過(guò)ΔT3傳遞的能量，切換期TSW內(nèi)總能量輸出能量Edcm可表示為:在切換期內(nèi)，TSW=T1+T2+T3，平均功率輸出

Pdcm變成:

式中

可見(jiàn)，MOSFET接通狀態(tài)的時(shí)間周期也可表示DCM運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)下的功率變化。盡管需要利用常量m精確計(jì)算功率，MPPT卻不需要，原因在于僅通過(guò)平均電壓和ΔT2就可檢測(cè)出功率變化的方向。

3 最大功率點(diǎn)跟蹤控制流程

本文提出的MPPT控制器包括滯后電壓調(diào)節(jié)器和參考電壓產(chǎn)生器。參考電壓產(chǎn)生器在每個(gè)切換期都會(huì)監(jiān)測(cè)MOSFET接通持續(xù)時(shí)間ΔT2內(nèi)發(fā)生的變化。當(dāng)檢測(cè)出變化時(shí)，會(huì)校正參考電壓朝著發(fā)電量增加的方向，熱電發(fā)電機(jī)電壓會(huì)跟隨滯后電壓調(diào)節(jié)器的平均參考電壓。如果利用微控制器就可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)，明確需要測(cè)量切換時(shí)間和生成參考電壓。此外，一旦達(dá)到MPP，本文提出的MPPT算法不會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，原因在于無(wú)需對(duì)功率進(jìn)行實(shí)際測(cè)量就可以檢測(cè)出發(fā)電量產(chǎn)生的變化，這一點(diǎn)與傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀測(cè)技術(shù)不同。

圖6是本文提出的MPPT方案流程圖。本文方案中的無(wú)限循環(huán)包括VREF調(diào)節(jié)、ΔT2監(jiān)測(cè)、相對(duì)功率計(jì)算及MPP檢測(cè)塊。當(dāng)計(jì)算出的相對(duì)功率隨著VREF調(diào)節(jié)不斷變化時(shí)，可公開(kāi)MPP，并且算法會(huì)進(jìn)入ΔT2監(jiān)測(cè)模式。當(dāng)ΔT2的變化超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)，會(huì)中止ΔT2監(jiān)測(cè)模式，搜索新的MPP。對(duì)于響應(yīng)時(shí)間短的發(fā)電機(jī)或?qū)Νh(huán)境變化較敏感的發(fā)電機(jī)，如太陽(yáng)能光伏發(fā)電機(jī)或振動(dòng)發(fā)電機(jī)，諧波振動(dòng)必須與發(fā)電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間保持一致。本文提出的MPPT方法簡(jiǎn)單明了，生產(chǎn)成本小，有利于小規(guī)?？沙掷m(xù)發(fā)電。

圖6 本文提出的MPPT算法流程圖

本文方案中的典型MPPT運(yùn)行描述如下:

(1)MPP初次搜索假設(shè)初始操作點(diǎn)位于圖7的A點(diǎn)。最初，控制器會(huì)從A點(diǎn)搜索B點(diǎn)上的MPP。當(dāng)溫差變化導(dǎo)致操作點(diǎn)從B點(diǎn)變?yōu)镃點(diǎn)時(shí)，控制器會(huì)將操作點(diǎn)移至D點(diǎn)上的新MPP。利用擾動(dòng)觀測(cè)算法，MPPT控制器首次用于測(cè)量功率的變化，且參考電壓有擾動(dòng)。可輕易檢測(cè)出朝向B點(diǎn)的方向，并且MPPT控制器生成了經(jīng)過(guò)校正朝向VB的VREF。隨著VREF的減少，每個(gè)切換期的ΔT2會(huì)一直增加，發(fā)電量也會(huì)增加，如式(24)和式(29)所示，直到在B點(diǎn)開(kāi)始減少。滯后電壓調(diào)節(jié)器會(huì)將熱電發(fā)電機(jī)的操作點(diǎn)一直維持在B點(diǎn)即MPP，也會(huì)將熱電發(fā)電機(jī)輸出電壓一直維持在VB，直到改變的ΔT2檢測(cè)出溫差變化。

圖7 本文中能量收集系統(tǒng)的MPPT控制

(2)追蹤變化的MPP假設(shè)熱電發(fā)電機(jī)輸出特性即I-V和P-V曲線會(huì)因溫差增加而產(chǎn)生變化。當(dāng)溫差穩(wěn)定在一個(gè)新的數(shù)值時(shí)，熱電發(fā)電機(jī)的操作點(diǎn)會(huì)在新的功率曲線上從B點(diǎn)移至C點(diǎn)，如圖7所示，原因在于滯后電壓調(diào)節(jié)器會(huì)將熱電發(fā)電機(jī)電壓維持在VB，C(平均)。然而，ΔT2會(huì)增加，這表明PB到PC的功率在增加。MPPT控制器對(duì)此進(jìn)行了檢測(cè)，然后重新搜索MPP，利用P＆O校正P＆O，直到操作點(diǎn)到達(dá)了D點(diǎn)上的新MPP。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)設(shè)置

利用德州儀器(TI)的MSP430開(kāi)發(fā)套件實(shí)現(xiàn)了本文提出的MPPT能量收集系統(tǒng)。套件有MSP430-G2553微控制器和連接PC的USB接口。MSP430微控制器的優(yōu)勢(shì)在于功率損耗低、內(nèi)置外圍設(shè)備種類多樣以及成本低。在此實(shí)驗(yàn)中，利用MSP430內(nèi)置的計(jì)時(shí)器、比較器及PWM發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了MPPT控制器和滯后電壓調(diào)節(jié)器，上述機(jī)器分別用于監(jiān)測(cè)切換時(shí)間、生成閘控信號(hào)、控制基準(zhǔn)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(jī)。利用德州儀器(TI)的MSP430開(kāi)發(fā)套件實(shí)現(xiàn)了提出的系統(tǒng)，僅需要最少的外部零件。

圖8 提出的MPPT控制器和升壓轉(zhuǎn)換器的樣機(jī)

電阻器可用于確定滯后電壓帶，R-C過(guò)濾器從PWM信號(hào)生成平滑VREF，作為基準(zhǔn)級(jí)用于滯后控制。在本實(shí)驗(yàn)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(xiě)為:

利用比較器的中斷服務(wù)程序(ISR)和MSP430的內(nèi)部對(duì)切換時(shí)間ΔT2進(jìn)行測(cè)量。只要比較器的輸出改變了狀態(tài)，就會(huì)引起中斷。頻率為1 MHz時(shí)，計(jì)數(shù)器讀數(shù)就會(huì)增加;利用計(jì)數(shù)器讀數(shù)之間的差異可以輕易獲取MOSFET的接通持續(xù)時(shí)間和斷開(kāi)持續(xù)時(shí)間。

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

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在23℃、54℃、85℃、99℃和126℃5個(gè)溫差下測(cè)試樣機(jī)系統(tǒng)。在本實(shí)驗(yàn)中，調(diào)整MPPT算法使其穩(wěn)態(tài)誤差變小。盡管這會(huì)導(dǎo)致算法的調(diào)整時(shí)間變長(zhǎng)，卻會(huì)與環(huán)境變化有關(guān)且變化緩慢的熱電發(fā)電機(jī)輸出一致。只要熱端溫度發(fā)生變化，調(diào)整時(shí)間會(huì)為30 min～45 min。

圖9和圖10是給定的溫差下熱電發(fā)電機(jī)的功率和電流輸出。使用了平均電壓，但是熱電發(fā)電機(jī)輸出電壓紋波會(huì)因滯帶小而變小。此外，對(duì)實(shí)測(cè)操作點(diǎn)進(jìn)行了繪制，表明MPPT控制器可以在給定溫度的MPP下運(yùn)行系統(tǒng)。如此可見(jiàn)，運(yùn)行較好地維持在了P-V曲線的操作峰值點(diǎn)，且V熱電發(fā)電機(jī)=OCV/2。

圖9 給定溫差下的P－V曲線

操作特性曲線是根據(jù)實(shí)測(cè)操作數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制的，從中發(fā)現(xiàn)了給定溫差下的精確MPP，隨后與實(shí)測(cè)操作點(diǎn)進(jìn)行比較。本文提出的MPPT方案取得了較好結(jié)果;獲取了MPP實(shí)驗(yàn)和特性化數(shù)據(jù)之間的功率和電壓誤差。

表1是其結(jié)果。VmL、PmL、VmH和PmH表示由提出的系統(tǒng)控制的MPP實(shí)際熱電發(fā)電機(jī)輸出電壓和功率的下限和上限。VerrL、PerrL、VerrH和PerrH分別表示計(jì)算出的MPP與MPP實(shí)際熱電發(fā)電機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

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

圖11 在ΔT=54℃的運(yùn)行中捕捉到的熱電發(fā)電機(jī)和MSP430微控制器輸出波形

圖12是當(dāng)MPP從262mV轉(zhuǎn)變?yōu)?10mV時(shí)的熱電發(fā)電機(jī)電壓瞬變，轉(zhuǎn)變?cè)蛟谟陔姞t溫度發(fā)生了變化。由于電爐溫度發(fā)生變化，MPP從262 mV轉(zhuǎn)變?yōu)?10 mV。如此可見(jiàn)，控制器可以很好地追蹤不同的MPP。同樣測(cè)試了輸出電容器的負(fù)載電流變化(1 mA～10 mA)。熱電發(fā)電機(jī)的MPP是溫差的函數(shù)，并非負(fù)載條件。

圖12 提出的MPPT方案的瞬態(tài)響應(yīng)

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

圖13 對(duì)輸出負(fù)載變化的響應(yīng)

5 結(jié)論

本文提出了一種無(wú)電流傳感器MPPT能量收集系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于滯后電壓調(diào)節(jié)器的切換信息運(yùn)行，原因在于功率變化是MOSFET接通持續(xù)時(shí)間的函數(shù)。提出的MPPT方案實(shí)施簡(jiǎn)單、價(jià)格低，且不需要直接測(cè)量輸出電流，適用于各種帶有相似輸出特性的發(fā)電機(jī)，可與各種功率轉(zhuǎn)換器一起使用。本文提出的方案經(jīng)過(guò)了分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得了較好結(jié)果。

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盧丹萍(1983-)，女，壯族，碩士，講師，研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制技術(shù)，智能電子技術(shù);

韋忠善(1972-)，男，壯族，碩士，副教授，研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，weizs530226@126.com;

明鑫(1983-)，男，漢族，碩士，講師，研究方向?yàn)橹悄茈娮蛹夹g(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，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