Метод MPPT без датчика тока с управлением аккумулятором для однофазной автономной системы на основе PV

Умнее Солнечная Энергия для Жизни вне Сети

По мере того как всё больше домов, ферм и удалённых объектов переходят на солнечную энергию, встаёт важный вопрос: как извлечь из панелей как можно больше электричества, сохраняя при этом здоровье аккумуляторов и низкие затраты? В этой статье представлен новый способ управления автономными солнечными системами, который избегает части обычной аппаратной и измерительной сложности, при этом по‑прежнему улавливает почти всю доступную солнечную энергию и безопасно управляет зарядкой аккумуляторов.

Как Сегодня Работают Автономные Солнечные Системы

Типичная небольшая солнечная установка включает массив панелей, электронику для повышения и регулирования напряжения панелей, аккумуляторный банк для ночи и пасмурных периодов и инвертор, преобразующий постоянный ток в привычный бытовой переменный ток. Чтобы получить максимум от панелей, управляющая система непрерывно подстраивает рабочую точку к так называемой «сладкой точке», где выходная мощность наибольшая. Эта задача, известная как отслеживание максимальной точки мощности (MPPT), обычно требует измерения как напряжения, так и тока с панелей в реальном времени. Дополнительные датчики и их проводка, однако, увеличивают стоимость, вносят электрические помехи и усложняют конструкцию, особенно в небольших автономных системах, где ограничены бюджет и пространство.

Нахождение Сладкой Точки Без Измерения Тока

Авторы предлагают модификацию популярного алгоритма «возмущение и наблюдение» (perturb and observe). Вместо измерения и напряжения, и тока, новый метод напрямую измеряет только напряжение панели, а затем косвенно вычисляет ток панели, используя известные свойства электронного преобразователя, расположенного между панелями и остальной частью системы. Наблюдая, как напряжение на индукторе внутри этого преобразователя растёт и падает во время коммутаций, контроллер может с хорошей точностью вывести средний ток панели. С этой оценкой тока, сопоставленной с измеренным напряжением, алгоритм всё ещё может искать максимальную точку мощности, но без отдельного датчика тока и сопутствующей схемотехники. Моделирование и эксперименты показывают, что оценённый ток отличается примерно на один—три процента от истинного значения, что достаточно для точного управления.

Повышение Напряжения и Подавление Пульсаций

Чтобы максимально использовать бездатчиковый подход, система применяет специальный «перекрывающийся» (interleaved) повышающий преобразователь, который объединяет два коммутационных ступеней, работающие в противофазе. Вместе они повышают обычно низкое и изменчивое напряжение панели до значительно более высокого, почти постоянного уровня, подходящего в качестве общего шины постоянного тока. Такая схема примерно удваивает полезный коэффициент повышения по сравнению с простым одноступенчатым повышателем и сглаживает колебания тока за счёт перекрытия форм сигналов от каждой ветви. На практике это означает меньшее электрическое напряжение на компонентах, меньшие фильтры и более стабильную работу, что помогает алгоритму отслеживания быстро реагировать на изменения освещённости, не нарушая работу остальной системы.

Поддержание Аккумулятора в Зоне Комфорта

Помимо управления панелями, работа также интегрирует стратегию управления аккумулятором, чтобы та же система автоматически решала, когда заряжать, разряжать или оставлять аккумулятор в покое. Отдельный двунаправленный преобразователь обеспечивает электрическую развязку и может перемещать энергию в любом направлении между шиной высокого напряжения и стеком аккумуляторов с более низким напряжением. Контроллер постоянно сравнивает, сколько мощности панели могли бы выдать в своей «сладкой точке», с тем, сколько сейчас требуется нагрузкам. Когда солнечная энергия превышает спрос и аккумулятор не полон, излишек направляется на зарядку; когда спрос превышает то, что может дать солнце, преобразователь переключается в режим повышения и аккумулятор помогает нести нагрузку. Шесть рабочих сценариев охватывают всё — от яркой солнечной зарядки до ночного питания и даже безопасного отключения, когда ни панели, ни аккумулятор не могут поддержать нагрузку.

Работа в Реальных Условиях и Почему Это Важно

Компьютерные модели и лабораторные испытания с несколькими сотнями ватт панелей и аккумуляторов показывают, что новая схема управления удерживает основную шину постоянного тока почти постоянной, одновременно отслеживая быстрые изменения освещённости. После ступенчатого изменения уровня освещённости система устанавливается в новую максимальную точку мощности примерно за 50–100 миллисекунд, быстрее многих стандартных подходов, при этом вокруг оптимума наблюдаются лишь незначительные пульсации мощности. Измеренные КПД достигают примерно 96 процентов для ступени повышения напряжения и 94 процента для инвертора, а общая эффективность отслеживания оценивается примерно в 99,4 процента. Для неспециалиста вывод таков: эта конструкция может выдать почти каждый полезный ватт, который способны произвести панели, с чистым качеством электропитания и аккуратно работающими аккумуляторами, но при более простой и дешёвой аппаратной части. Такое сочетание делает её привлекательным вариантом для чувствительных к затратам автономных солнечных установок, где важны надёжность и эффективность.»}

Цитирование: Genc, N., Uzmus, H., Kalimbetova, Z. et al. Current sensorless MPPT method with battery management for PV based single phase standalone system. Sci Rep 16, 9107 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40097-2

Ключевые слова: солнечная энергия, вне сети, аккумуляторное хранение, сила электроники, отслеживание максимальной точки мощности