儲能變流器學習之MPPT

MPPT最大功率點追蹤技術詳解

引言

在可再生能源系統中，最大化能量捕獲效率是核心目標。無論是光伏發電系統還是儲能變流器（PCS），最大功率點追蹤（MPPT） 技術都是實現這一目標的關鍵。本文將深入探討MPPT技術的原理、實現算法及其在工程應用中的實踐要點。

什么是MPPT？

基本概念

MPPT（Maximum Power Point Tracking）是一種通過調節電力電子變換器的工作點，使能源（如光伏電池）始終工作在最大功率輸出狀態的技術。對于光伏系統而言，光伏電池的I-V和P-V曲線呈非線性特性，且隨光照強度、溫度等環境因素變化，最大功率點（MPP）也會相應移動。

PV 電池板的功率輸出取決于若干參數，例如電池板受到的輻照、電池板電壓、電池板溫度等。因此，在影響參數
值發生變化的條件下，功率輸出也在一天之中不斷變化。
下顯示了太陽能電池板的 I-V 曲線和 P-V 曲線。I-V 曲線表示電池板輸出電流與輸出電壓之間的關系。如圖中的 I-V 曲線所示，當端子短接時，電池板電流最大；當端子開路且空載時，電池板電流最小。
在這里插入圖片描述
如圖所示，當電池板電壓和電池板電流的乘積達到最大值時，從電池板獲得的最大功率表示為 PMAX。該點指定為最大功率點 (MPP)。

下圖舉例說明各項參數對太陽能電池板輸出功率的影響。這些圖形還顯示了太陽能電池板的功率輸出隨輻照度的變化。在這些圖中可觀察到，太陽能電池板的功率輸出隨輻照度的增加而增加，隨輻照度的減少而減少的情況。還要注意的是，發生 MPP 時的電池板電壓也隨著輻照度的變化而變化。
在這里插入圖片描述

為什么需要MPPT？

沒有MPPT功能的光伏系統可能工作在非最佳工作點，導致能量損失可達20%-30%。MPPT技術通過實時追蹤不斷變化的最大功率點，可顯著提高系統效率，增加能量產出。

MPPT基本原理

光伏電池的輸出特性可用以下方程描述：

$I_{ph} - I_0 \left[ \exp\left(\frac{V + IR_s}{nV_t}\right) - 1 \right] - \frac{V + IR_s}{R_{sh}}$

其中， $I_{ph}$ 為光生電流， $I_0$ 為反向飽和電流， $R_s$ 為串聯電阻， $R_{sh}$ 為并聯電阻， $n$ 為理想因子， $V_t$ 為熱電壓。

最大功率點處的數學特性為：

$\frac{dP}{dV} = 0$

MPPT算法的核心就是通過不斷調整工作點，使系統滿足這一條件。

常用MPPT算法及實現

1. 擾動觀察法（P&O）

原理

P&O算法通過周期性擾動工作點（電壓或占空比），并觀察功率變化方向來決定下一步的擾動方向。

算法流程

擾動工作點（增加或減少電壓/占空比）
測量功率變化
如果功率增加，保持相同擾動方向；如果功率減少，反轉擾動方向
重復上述過程

C語言實現代碼-基本擾動觀察法

// 擾動觀察法實現
#define DELTA_D 0.01f  // 擾動步長float prev_voltage = 0.0f;
float prev_current = 0.0f;
float prev_power = 0.0f;
float duty_cycle = 0.5f;void mppt_po_algorithm(void) {// 讀取當前電壓和電流float voltage = read_voltage();float current = read_current();float power = voltage * current;// 計算功率變化float delta_p = power - prev_power;float delta_v = voltage - prev_voltage;// 應用P&O邏輯if (delta_p > 0) {duty_cycle += (delta_v > 0) ? DELTA_D : -DELTA_D;} else {duty_cycle += (delta_v > 0) ? -DELTA_D : DELTA_D;}// 限制占空比范圍duty_cycle = (duty_cycle > 0.95f) ? 0.95f : duty_cycle;duty_cycle = (duty_cycle < 0.05f) ? 0.05f : duty_cycle;// 更新PWM并保存狀態set_duty_cycle(duty_cycle);prev_voltage = voltage;prev_current = current;prev_power = power;
}

可復用-擾動觀察法

/*** @brief MPPT（最大功率點跟蹤）算法結構體* * 該結構體包含了MPPT算法所需的所有參數和狀態變量* 實現了擾動觀察法（Perturb and Observe）MPPT算法*/
typedef struct {float32_t  Ipv;        // 當前光伏電流值float32_t  Vpv;        // 當前光伏電壓值float32_t  MaxI;       // 最大允許電流限制float32_t  MinI;       // 最小允許電流限制float32_t  Stepsize;   // MPPT步長，用于調整電流參考值float32_t  ImppOut;    // MPPT輸出的電流參考值// 內部狀態變量float32_t  Step;       // 當前步長（未使用）float32_t  PpvOld;     // 上一次的功率值float32_t  IpvOld;     // 上一次的電流值int16_t mppt_first;    // 首次運行標志位int mppt_enable;       // MPPT使能標志位
} uinv_dcdc_mppt_t;/*** @brief MPPT算法初始化函數* @param v MPPT結構體指針* * 初始化MPPT算法的狀態變量，設置首次運行標志*/
static void uinv_dcdc_mppt_init(uinv_dcdc_mppt_t *v) {v->mppt_first = 1;  // 設置首次運行標志
}/*** @brief MPPT算法主運行函數* @param v MPPT結構體指針* * 實現擾動觀察法MPPT算法：* 1. 計算當前功率點* 2. 比較當前功率與上一次功率* 3. 根據功率變化趨勢調整電流參考值* 4. 確保輸出電流在安全范圍內*/
#pragma FUNC_ALWAYS_INLINE(uinv_dcdc_mppt_run)
static void uinv_dcdc_mppt_run(uinv_dcdc_mppt_t *v) {// 計算當前功率點 P = V × Ifloat32_t P = v->Vpv * v->Ipv;// 檢查MPPT是否使能if(v->mppt_enable) {// 首次運行時的初始化if(v->mppt_first) {v->ImppOut = v->Ipv;    // 設置初始電流參考值為當前電流v->PpvOld = P;          // 保存當前功率值v->IpvOld = v->Ipv;     // 保存當前電流值v->mppt_first = 0;      // 清除首次運行標志} else {// 計算電流變化量float32_t deltaI = v->Ipv - v->IpvOld;// 擾動觀察法核心邏輯if(deltaI > 0) { // 如果電流在增加if(P > v->PpvOld) { // 且功率也在增加// 繼續增加電流（向最大功率點方向移動）v->ImppOut = v->Ipv + v->Stepsize;} else { // 但功率在減少// 減少電流（反向移動，避免越過最大功率點）v->ImppOut = v->Ipv - v->Stepsize;}} else { // 如果電流在減少if(P > v->PpvOld) { // 且功率在增加// 繼續減少電流（向最大功率點方向移動）v->ImppOut = v->Ipv - v->Stepsize;} else { // 且功率也在減少// 增加電流（反向移動，避免越過最大功率點）v->ImppOut = v->Ipv + v->Stepsize;}}}}// 電流限幅保護：確保輸出電流在安全范圍內v->ImppOut = (v->ImppOut < v->MinI) ? v->MinI : v->ImppOut;  // 下限保護v->ImppOut = (v->ImppOut > v->MaxI) ? v->MaxI : v->ImppOut;  // 上限保護// 更新歷史值，為下次計算做準備v->IpvOld = v->Ipv;  // 保存當前電流值v->PpvOld = P;       // 保存當前功率值
}#endif /* UINV_DCDC_MPPT_H_ */

代碼分析

這段代碼實現了一個**擾動觀察法（Perturb and Observe, P&O）**的MPPT（最大功率點跟蹤）算法，用于太陽能光伏系統中。以下是詳細解釋：

1. 算法原理

MPPT算法的目的是讓光伏系統始終工作在最大功率點，從而獲得最大的能量輸出。擾動觀察法的基本原理是：

通過小幅擾動（改變工作電流）來觀察功率變化
根據功率變化趨勢決定下一步的擾動方向
逐步收斂到最大功率點

2. 核心邏輯分析

初始化階段：

首次運行時，記錄當前電流和功率值作為基準

擾動觀察階段：

計算當前功率：P = Vpv × Ipv
比較當前功率與上一次功率的變化
根據電流變化方向和功率變化趨勢決定下一步動作：

電流變化	功率變化	下一步動作	說明
增加	增加	繼續增加電流	向最大功率點方向移動
增加	減少	減少電流	反向移動，避免越過最大功率點
減少	增加	繼續減少電流	向最大功率點方向移動
減少	減少	增加電流	反向移動，避免越過最大功率點

3. 安全保護

電流限幅：確保輸出電流在MinI和MaxI范圍內
使能控制：通過mppt_enable標志控制算法是否運行

4. 算法特點

簡單高效：實現簡單，計算量小
自適應性：能夠自動跟蹤最大功率點
穩定性：在最大功率點附近會有小幅振蕩，這是該算法的固有特性

C語言實現代碼-基于變步長擾動觀察法

/************************************************************************/
/*** @brief 最大功率點跟蹤算法主函數* @details 實現擾動觀察法(P&O)MPPT算法，通過調整光伏電壓參考值來尋找最大功率點*          算法包含快速搜索、動態調整、功率限制等功能*/
void MPPTTrack(void)
{float32 f32Temp0;	// 臨時變量，用于存儲最大功率值// 靜態變量，用于算法控制static int16 Counter = 0;           // 連續功率增加計數器static int16 test_dynamic_Flag = 0; // 動態測試標志位static int16 CounterPVPos = 0;      // PV電壓過高計數器static int16 CounterPVNeg = 0;      // PV電壓過低計數器static float32 Delta_MPPTStep = 4;  // MPPT步長，初始值為4V// 計算功率變化閾值，基于當前功率的0.1%g_MpptCalc.f32DeltaPowerDC = g_MpptCalc.f32PVWattCurrent * 0.001f;// 限制功率變化閾值在3-5W之間，確保算法穩定性if(g_MpptCalc.f32DeltaPowerDC < 3){g_MpptCalc.f32DeltaPowerDC = 3;}else if(g_MpptCalc.f32DeltaPowerDC > 5){g_MpptCalc.f32DeltaPowerDC = 5;}else{}// 根據當前功率調整MPPT步長，實現自適應步長控制if(g_MpptCalc.f32PVWattCurrent < 2000)  // 功率小于2kW時使用較大步長{Delta_MPPTStep = DeltaMPPTV;}else if(g_MpptCalc.f32PVWattCurrent > 4000)  // 功率大于4kW時使用較小步長{Delta_MPPTStep = 2;}else{}// 獲取兩個MPPT通道中的最大功率值f32Temp0 = MAX(g_Mppt1Calc.f32PVWattCurrent, g_Mppt2Calc.f32PVWattCurrent);// 功率限制保護：當功率超過限制時，增加電壓參考值以降低功率if((g_MpptCalc.f32PVWattCurrent > g_PActiveLimit.f32PinputAll)||(f32Temp0 > g_PActiveLimit.f32Pinput1)){// 保存歷史電壓參考值g_MpptCalc.f32PvRefOldOld = g_MpptCalc.f32PvRefOld;g_MpptCalc.f32PvRefOld = g_MpptCalc.f32PvVoltRef;g_MpptCalc.f32PVWattOld = g_MpptCalc.f32PVWattCurrent;// 增加電壓參考值以降低功率g_MpptCalc.f32PvVoltRef +=	1;return;  // 功率限制時直接返回，不執行MPPT算法}// PV電壓范圍保護：確保PV電壓在合理范圍內if(g_MpptCalc.f32PvVoltRef > g_CalcResult.Ave.f32VPV1 + PV15V)  // 電壓過高{CounterPVPos++;if(CounterPVPos>2)  // 連續3次電壓過高，強制調整{g_MpptCalc.f32PvVoltRef  = g_CalcResult.Ave.f32VPV1  - Delta_MPPTStep;CounterPVPos = 0;}}else if(g_MpptCalc.f32PvVoltRef < g_CalcResult.Ave.f32VPV1 - PV15V)  // 電壓過低{CounterPVNeg++;if(CounterPVNeg>2)  // 連續3次電壓過低，強制調整{g_MpptCalc.f32PvVoltRef  = g_CalcResult.Ave.f32VPV1  - Delta_MPPTStep;CounterPVNeg = 0;}}else  // 電壓在正常范圍內，執行MPPT算法{// 重置電壓異常計數器CounterPVNeg = 0;CounterPVPos = 0;// 快速搜索模式：用于系統啟動時的快速定位if(1 == g_MpptCalc.u16FastSearch){// 如果電壓高于開路電壓的83%，逐步降低電壓if(g_MpptCalc.f32PvVoltRef  > (g_MpptCalc.f32PvOpenVolt * 0.83)){g_MpptCalc.f32PvVoltRef  = g_MpptCalc.f32PvVoltRef - g_MpptCalc.f32PvOpenVolt * 0.01;				}else  // 達到合適電壓范圍，退出快速搜索模式{g_MpptCalc.f32PvVoltRef  = g_MpptCalc.f32PvVoltRef  + Delta_MPPTStep;     g_MpptCalc.u16FastSearch = 0;test_dynamic_Flag = 0;Counter = 0;}// 保存歷史值g_MpptCalc.f32PvRefOldOld = g_MpptCalc.f32PvRefOld;g_MpptCalc.f32PvRefOld = g_MpptCalc.f32PvVoltRef;g_MpptCalc.f32PVWattOld = g_MpptCalc.f32PVWattCurrent;}else  // 正常MPPT跟蹤模式{// 功率增加情況：當前功率大于等于上次功率+閾值if(g_MpptCalc.f32PVWattOld + g_MpptCalc.f32DeltaPowerDC <= g_MpptCalc.f32PVWattCurrent)             {Counter++;  // 增加連續功率增加計數if(Counter > 3)  // 連續4次功率增加，啟用動態測試模式{test_dynamic_Flag=1;Counter = 0;}// 動態測試模式：使用更精細的步長調整if(test_dynamic_Flag==1){if (g_MpptCalc.f32PvVoltRef >= g_MpptCalc.f32PvRefOld)  // 上次電壓增加{g_MpptCalc.f32PvRefOldOld = g_MpptCalc.f32PvRefOld;g_MpptCalc.f32PvRefOld = g_MpptCalc.f32PvVoltRef;g_MpptCalc.f32PvVoltRef = g_MpptCalc.f32PvRefOld - 0.1;  // 小幅降低電壓}else if(g_MpptCalc.f32PvVoltRef < g_MpptCalc.f32PvRefOld)  // 上次電壓降低{g_MpptCalc.f32PvRefOldOld = g_MpptCalc.f32PvRefOld;g_MpptCalc.f32PvRefOld = g_MpptCalc.f32PvVoltRef;g_MpptCalc.f32PvVoltRef = g_MpptCalc.f32PvRefOld + 0.3;  // 小幅增加電壓}else{}}else  // 正常模式：使用標準步長{	if(g_MpptCalc.f32PvVoltRef  >= g_MpptCalc.f32PvRefOld)  // 上次電壓增加{g_MpptCalc.f32PvRefOldOld = g_MpptCalc.f32PvRefOld;g_MpptCalc.f32PvRefOld = g_MpptCalc.f32PvVoltRef;g_MpptCalc.f32PvVoltRef += Delta_MPPTStep;  // 繼續增加電壓}else  // 上次電壓降低{g_MpptCalc.f32PvRefOldOld = g_MpptCalc.f32PvRefOld;g_MpptCalc.f32PvRefOld = g_MpptCalc.f32PvVoltRef;g_MpptCalc.f32PvVoltRef  -= Delta_MPPTStep;  // 繼續降低電壓}}g_MpptCalc.f32PVWattOld = g_MpptCalc.f32PVWattCurrent;  // 更新歷史功率值}// 功率減少情況：當前功率明顯小于上次功率else if(g_MpptCalc.f32PVWattOld > g_MpptCalc.f32PVWattCurrent + g_MpptCalc.f32DeltaPowerDC){test_dynamic_Flag = 0;  // 退出動態測試模式Counter = 0;  // 重置計數器// 反向調整電壓：與上次調整方向相反if(g_MpptCalc.f32PvVoltRef  >= g_MpptCalc.f32PvRefOld)  // 上次電壓增加{g_MpptCalc.f32PvRefOldOld = g_MpptCalc.f32PvRefOld;g_MpptCalc.f32PvRefOld = g_MpptCalc.f32PvVoltRef;g_MpptCalc.f32PvVoltRef  -= Delta_MPPTStep;  // 降低電壓}else  // 上次電壓降低{g_MpptCalc.f32PvRefOldOld = g_MpptCalc.f32PvRefOld;g_MpptCalc.f32PvRefOld = g_MpptCalc.f32PvVoltRef;g_MpptCalc.f32PvVoltRef  += Delta_MPPTStep;  // 增加電壓}g_MpptCalc.f32PVWattOld = g_MpptCalc.f32PVWattCurrent;}// 功率變化不明顯：使用較小步長微調else{test_dynamic_Flag = 0;  // 退出動態測試模式Counter = 0;  // 重置計數器// 使用較小步長(40%的標準步長)進行微調if(g_MpptCalc.f32PvVoltRef  >= g_MpptCalc.f32PvRefOld)  // 上次電壓增加{g_MpptCalc.f32PvRefOldOld = g_MpptCalc.f32PvRefOld;g_MpptCalc.f32PvRefOld = g_MpptCalc.f32PvVoltRef ;g_MpptCalc.f32PvVoltRef  += (Delta_MPPTStep * 0.4);  // 小幅增加電壓}else  // 上次電壓降低{g_MpptCalc.f32PvRefOldOld = g_MpptCalc.f32PvRefOld;g_MpptCalc.f32PvRefOld = g_MpptCalc.f32PvVoltRef ;g_MpptCalc.f32PvVoltRef  -= (Delta_MPPTStep * 0.4);  // 小幅降低電壓}               }}}// 電壓下限保護：確保PV電壓不低于最小工作電壓if(g_MpptCalc.f32PvVoltRef  < PV250V + 5)  {g_MpptCalc.f32PvVoltRef  = PV250V + 5;  // 強制設置為最小工作電壓}
}

優缺點

優點：實現簡單，計算量小
缺點：在MPP附近振蕩，光照突變時可能誤判

2. 電導增量法（Incremental Conductance）

原理

基于最大功率點處的數學特性： $dIdV=?IV\frac{dI}{dV} = -\frac{I}{V}$

算法流程

測量當前電壓和電流
計算電導（I/V）和微分電導（dI/dV）
比較兩者關系決定調整方向
重復上述過程

C語言實現代碼

// 電導增量法實現
#define DELTA_D 0.005f
#define MIN_DV 0.01f  // 最小電壓變化閾值float prev_voltage = 0.0f;
float prev_current = 0.0f;
float duty_cycle = 0.5f;void mppt_incond_algorithm(void) {float voltage = read_voltage();float current = read_current();float delta_v = voltage - prev_voltage;if (fabs(delta_v) < MIN_DV) {// 處理小電壓變化情況float cond = current / voltage;if (fabs(cond) > 0.01f) {duty_cycle += (cond > 0) ? -DELTA_D : DELTA_D;}} else {float delta_i = current - prev_current;float inc_cond = delta_i / delta_v;float inst_cond = current / voltage;if (fabs(inc_cond + inst_cond) < 0.01f) {// 已在MPP附近} else if (inc_cond > -inst_cond) {duty_cycle -= DELTA_D;} else {duty_cycle += DELTA_D;}}// 限制和更新duty_cycle = (duty_cycle > 0.95f) ? 0.95f : duty_cycle;duty_cycle = (duty_cycle < 0.05f) ? 0.05f : duty_cycle;set_duty_cycle(duty_cycle);prev_voltage = voltage;prev_current = current;
}