带电池管理的基于电流无传感器的 MPPT 方法用于光伏单相独立系统

更智能的离网太阳能供电

随着越来越多的住宅、农场和偏远设施转向太阳能发电，一个重要问题浮现：如何在保证电池寿命并控制成本的同时，从光伏板中榨取尽可能多的电量？本文提出了一种运行独立太阳能系统的新方法，避免了部分常见的硬件与测量复杂性，同时仍能捕获几乎全部可用太阳能并安全管理电池充放电。

现今独立太阳能系统的工作方式

典型的小型光伏系统包括组件阵列、用于升压和调节组件电压的电子装置、用于夜间和阴天的蓄电池组，以及将直流转换为常见家用交流的逆变器。为了充分利用光伏板，控制策略持续微调它们的工作点，找到能够实现最高功率输出的“最佳点”。这一任务称为最大功率点跟踪（MPPT），通常依赖实时测量组件的电压和电流。然而，额外的传感器及其布线会增加成本，引入电气噪声，并使设计更复杂，尤其在预算和空间有限的小型离网系统中更为明显。

在不测量电流的情况下寻找最佳点

作者提出了对一种流行跟踪算法“扰动观测”（perturb and observe）的改进。该方法不直接测量电压和电流的双重信息，而是只直接测量组件电压，然后利用位于组件与系统其余部分之间的电子变换器的已知特性间接计算组件电流。通过监测该变换器内部电感在开关过程中的电压涨落，控制器可以推断出平均组件电流，且精度良好。用这个估算电流与测得的电压配对，算法仍能寻找最大功率点，但无需专用电流传感器及其辅助电路。仿真与实验表明，估算电流与真实值相差约一到三个百分点，这足以实现精确控制。

升压与抑制涟漪

为充分发挥这种无传感器方法的优势，系统采用了一种特殊的“交错”升压转换器，由两个相位错开的开关级组合而成。它们将通常较低且波动的组件电压升至更高且近似恒定的电平，作为共享直流母线。与单级升压器相比，该设计大致将可用电压增益翻倍，并通过重叠每路的电流波形来平滑电流波动。实际上，这意味着电气应力更小、滤波器体积更小、运行更稳定，均有助于跟踪算法在光照变化时迅速响应而不会扰动系统其它部分。

让电池保持在舒适区

除了组件控制外，工作还整合了电池管理策略，使同一系统能够自动决定何时给电池充电、放电或休眠。一个独立的双向变换器提供电气隔离，并能在高压母线与较低电压电池组之间双向传输能量。控制器持续比较组件在其最佳点可提供的功率与负载当前需求之间的差值。当太阳能发电超过需求且电池未充满时，多余功率被引导进入充电模式；当负载需求超过太阳能供给时，变换器切换至升压模式，电池协助承担负载。六种运行情景覆盖了从阳光充足的充电、夜间供电到在组件与电池均无法支撑负载时的安全停机。

实际性能及其重要性

使用数百瓦组件和电池的计算机模型与实验室测试表明，该新的控制方案在跟踪快速光照变化时，能保持主直流母线几乎恒定。在光照突变后，系统约在50到100毫秒内稳定到新的最大功率点，速度快于许多标准方法，同时在最佳点附近仅产生很小的功率涟漪。测得的升压环节效率约为96%，逆变器约为94%，而整体跟踪效率估计接近99.4%。对普通读者而言，结论是该设计能提供几乎所有可用的光伏功率，电能质量清洁、电池行为良好，同时硬件更简单、更便宜。这样的组合使其成为对成本敏感且对可靠性与效率有较高要求的离网太阳能装置的有吸引力的选择。

引用: 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

关键词: 太阳能, 离网供电, 电池储能, 电力电子, 最大功率点跟踪