储能变流器学习之MPPT

MPPT最大功率点追踪技术详解

引言

在可再生能源系统中，最大化能量捕获效率是核心目标。无论是光伏发电系统还是储能变流器（PCS），最大功率点追踪（MPPT） 技术都是实现这一目标的关键。本文将深入探讨MPPT技术的原理、实现算法及其在工程应用中的实践要点。

什么是MPPT？

基本概念

MPPT（Maximum Power Point Tracking）是一种通过调节电力电子变换器的工作点，使能源（如光伏电池）始终工作在最大功率输出状态的技术。对于光伏系统而言，光伏电池的I-V和P-V曲线呈非线性特性，且随光照强度、温度等环境因素变化，最大功率点（MPP）也会相应移动。

为什么需要MPPT？

没有MPPT功能的光伏系统可能工作在非最佳工作点，导致能量损失可达20%-30%。MPPT技术通过实时追踪不断变化的最大功率点，可显著提高系统效率，增加能量产出。

MPPT基本原理

光伏电池的输出特性可用以下方程描述：

I=Iph−I0[exp⁡(V+IRsnVt)−1]−V+IRsRsh I = I_{ph} - I_0 \left[ \exp\left(\frac{V + IR_s}{nV_t}\right) - 1 \right] - \frac{V + IR_s}{R_{sh}} I=Iph−I0[exp(nVtV+IRs)−1]−RshV+IRs

其中，IphI_{ph}Iph为光生电流，I0I_0I0为反向饱和电流，RsR_sRs为串联电阻，RshR_{sh}Rsh为并联电阻，nnn为理想因子，VtV_tVt为热电压。

最大功率点处的数学特性为：

dPdV=0 \frac{dP}{dV} = 0 dVdP=0

MPPT算法的核心就是通过不断调整工作点，使系统满足这一条件。

常用MPPT算法及实现

1. 扰动观察法（P&O）

原理

P&O算法通过周期性扰动工作点（电压或占空比），并观察功率变化方向来决定下一步的扰动方向。

算法流程

扰动工作点（增加或减少电压/占空比）
测量功率变化
如果功率增加，保持相同扰动方向；如果功率减少，反转扰动方向
重复上述过程

C语言实现代码-基本扰动观察法

c 复制代码

// 扰动观察法实现
#define DELTA_D 0.01f  // 扰动步长

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) {
    // 读取当前电压和电流
    float voltage = read_voltage();
    float current = read_current();
    float power = voltage * current;
    
    // 计算功率变化
    float delta_p = power - prev_power;
    float delta_v = voltage - prev_voltage;
    
    // 应用P&O逻辑
    if (delta_p > 0) {
        duty_cycle += (delta_v > 0) ? DELTA_D : -DELTA_D;
    } else {
        duty_cycle += (delta_v > 0) ? -DELTA_D : DELTA_D;
    }
    
    // 限制占空比范围
    duty_cycle = (duty_cycle > 0.95f) ? 0.95f : duty_cycle;
    duty_cycle = (duty_cycle < 0.05f) ? 0.05f : duty_cycle;
    
    // 更新PWM并保存状态
    set_duty_cycle(duty_cycle);
    prev_voltage = voltage;
    prev_current = current;
    prev_power = power;
}

C语言实现代码-基于变步长扰动观察法

c 复制代码

/************************************************************************/
/**
 * @brief 最大功率点跟踪算法主函数
 * @details 实现扰动观察法(P&O)MPPT算法，通过调整光伏电压参考值来寻找最大功率点
 *          算法包含快速搜索、动态调整、功率限制等功能
 */
void MPPTTrack(void)
{
	float32 f32Temp0;	// 临时变量，用于存储最大功率值
	
	// 静态变量，用于算法控制
	static int16 Counter = 0;           // 连续功率增加计数器
	static int16 test_dynamic_Flag = 0; // 动态测试标志位
	static int16 CounterPVPos = 0;      // PV电压过高计数器
	static int16 CounterPVNeg = 0;      // PV电压过低计数器
	static float32 Delta_MPPTStep = 4;  // MPPT步长，初始值为4V

	// 计算功率变化阈值，基于当前功率的0.1%
	g_MpptCalc.f32DeltaPowerDC = g_MpptCalc.f32PVWattCurrent * 0.001f;
	// 限制功率变化阈值在3-5W之间，确保算法稳定性
	if(g_MpptCalc.f32DeltaPowerDC < 3)
	{
		g_MpptCalc.f32DeltaPowerDC = 3;
	}
	else if(g_MpptCalc.f32DeltaPowerDC > 5)
	{
		g_MpptCalc.f32DeltaPowerDC = 5;
	}
	else
	{
	}
	
	// 根据当前功率调整MPPT步长，实现自适应步长控制
	if(g_MpptCalc.f32PVWattCurrent < 2000)  // 功率小于2kW时使用较大步长
	{
		Delta_MPPTStep = DeltaMPPTV;
	}
	else if(g_MpptCalc.f32PVWattCurrent > 4000)  // 功率大于4kW时使用较小步长
	{
		Delta_MPPTStep = 2;
	}
	else
	{
	}

	// 获取两个MPPT通道中的最大功率值
	f32Temp0 = MAX(g_Mppt1Calc.f32PVWattCurrent, g_Mppt2Calc.f32PVWattCurrent);
		
	// 功率限制保护：当功率超过限制时，增加电压参考值以降低功率
	if((g_MpptCalc.f32PVWattCurrent > g_PActiveLimit.f32PinputAll)||(f32Temp0 > g_PActiveLimit.f32Pinput1))
	{
		// 保存历史电压参考值
		g_MpptCalc.f32PvRefOldOld = g_MpptCalc.f32PvRefOld;
		g_MpptCalc.f32PvRefOld = g_MpptCalc.f32PvVoltRef;
		g_MpptCalc.f32PVWattOld = g_MpptCalc.f32PVWattCurrent;
		// 增加电压参考值以降低功率
		g_MpptCalc.f32PvVoltRef +=	1;

		return;  // 功率限制时直接返回，不执行MPPT算法
	}

	// PV电压范围保护：确保PV电压在合理范围内
	if(g_MpptCalc.f32PvVoltRef > g_CalcResult.Ave.f32VPV1 + PV15V)  // 电压过高
	{
		CounterPVPos++;
		if(CounterPVPos>2)  // 连续3次电压过高，强制调整
		{
			g_MpptCalc.f32PvVoltRef  = g_CalcResult.Ave.f32VPV1  - Delta_MPPTStep;
			CounterPVPos = 0;
		}
	}
	else if(g_MpptCalc.f32PvVoltRef < g_CalcResult.Ave.f32VPV1 - PV15V)  // 电压过低
	{
		CounterPVNeg++;
		if(CounterPVNeg>2)  // 连续3次电压过低，强制调整
		{
			g_MpptCalc.f32PvVoltRef  = g_CalcResult.Ave.f32VPV1  - Delta_MPPTStep;
			CounterPVNeg = 0;
		}
	}
	else  // 电压在正常范围内，执行MPPT算法
 	{
		// 重置电压异常计数器
		CounterPVNeg = 0;
		CounterPVPos = 0;
		
		// 快速搜索模式：用于系统启动时的快速定位
		if(1 == g_MpptCalc.u16FastSearch)
		{
			// 如果电压高于开路电压的83%，逐步降低电压
			if(g_MpptCalc.f32PvVoltRef  > (g_MpptCalc.f32PvOpenVolt * 0.83))
			{
				g_MpptCalc.f32PvVoltRef  = g_MpptCalc.f32PvVoltRef - g_MpptCalc.f32PvOpenVolt * 0.01;				
			}
			else  // 达到合适电压范围，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;
			}
			// 保存历史值
			g_MpptCalc.f32PvRefOldOld = g_MpptCalc.f32PvRefOld;
			g_MpptCalc.f32PvRefOld = g_MpptCalc.f32PvVoltRef;
			g_MpptCalc.f32PVWattOld = g_MpptCalc.f32PVWattCurrent;
		}
		else  // 正常MPPT跟踪模式
		{
			// 功率增加情况：当前功率大于等于上次功率+阈值
			if(g_MpptCalc.f32PVWattOld + g_MpptCalc.f32DeltaPowerDC <= g_MpptCalc.f32PVWattCurrent)             
			{
				Counter++;  // 增加连续功率增加计数
				if(Counter > 3)  // 连续4次功率增加，启用动态测试模式
				{
					test_dynamic_Flag=1;
					Counter = 0;
				}
				
				// 动态测试模式：使用更精细的步长调整
				if(test_dynamic_Flag==1)
				{
					if (g_MpptCalc.f32PvVoltRef >= g_MpptCalc.f32PvRefOld)  // 上次电压增加
					{
						g_MpptCalc.f32PvRefOldOld = g_MpptCalc.f32PvRefOld;
						g_MpptCalc.f32PvRefOld = g_MpptCalc.f32PvVoltRef;
						g_MpptCalc.f32PvVoltRef = g_MpptCalc.f32PvRefOld - 0.1;  // 小幅降低电压
					}
					else if(g_MpptCalc.f32PvVoltRef < g_MpptCalc.f32PvRefOld)  // 上次电压降低
					{
						g_MpptCalc.f32PvRefOldOld = g_MpptCalc.f32PvRefOld;
						g_MpptCalc.f32PvRefOld = g_MpptCalc.f32PvVoltRef;
						g_MpptCalc.f32PvVoltRef = g_MpptCalc.f32PvRefOld + 0.3;  // 小幅增加电压
					}
					else
					{
					}
				}
				else  // 正常模式：使用标准步长
				{	
					if(g_MpptCalc.f32PvVoltRef  >= g_MpptCalc.f32PvRefOld)  // 上次电压增加
					{
						g_MpptCalc.f32PvRefOldOld = g_MpptCalc.f32PvRefOld;
						g_MpptCalc.f32PvRefOld = g_MpptCalc.f32PvVoltRef;
						g_MpptCalc.f32PvVoltRef += Delta_MPPTStep;  // 继续增加电压
					}
					else  // 上次电压降低
					{
						g_MpptCalc.f32PvRefOldOld = g_MpptCalc.f32PvRefOld;
						g_MpptCalc.f32PvRefOld = g_MpptCalc.f32PvVoltRef;
						g_MpptCalc.f32PvVoltRef  -= Delta_MPPTStep;  // 继续降低电压
					}
				}
				g_MpptCalc.f32PVWattOld = g_MpptCalc.f32PVWattCurrent;  // 更新历史功率值
			}
			// 功率减少情况：当前功率明显小于上次功率
			else if(g_MpptCalc.f32PVWattOld > g_MpptCalc.f32PVWattCurrent + g_MpptCalc.f32DeltaPowerDC)
			{
				test_dynamic_Flag = 0;  // 退出动态测试模式
				Counter = 0;  // 重置计数器
				
				// 反向调整电压：与上次调整方向相反
				if(g_MpptCalc.f32PvVoltRef  >= g_MpptCalc.f32PvRefOld)  // 上次电压增加
				{
					g_MpptCalc.f32PvRefOldOld = g_MpptCalc.f32PvRefOld;
					g_MpptCalc.f32PvRefOld = g_MpptCalc.f32PvVoltRef;
					g_MpptCalc.f32PvVoltRef  -= Delta_MPPTStep;  // 降低电压
				}
				else  // 上次电压降低
				{
					g_MpptCalc.f32PvRefOldOld = g_MpptCalc.f32PvRefOld;
					g_MpptCalc.f32PvRefOld = g_MpptCalc.f32PvVoltRef;
					g_MpptCalc.f32PvVoltRef  += Delta_MPPTStep;  // 增加电压
				}
				g_MpptCalc.f32PVWattOld = g_MpptCalc.f32PVWattCurrent;
			}
			// 功率变化不明显：使用较小步长微调
			else
			{
				test_dynamic_Flag = 0;  // 退出动态测试模式
				Counter = 0;  // 重置计数器
				
				// 使用较小步长(40%的标准步长)进行微调
				if(g_MpptCalc.f32PvVoltRef  >= g_MpptCalc.f32PvRefOld)  // 上次电压增加
				{
					g_MpptCalc.f32PvRefOldOld = g_MpptCalc.f32PvRefOld;
					g_MpptCalc.f32PvRefOld = g_MpptCalc.f32PvVoltRef ;
					g_MpptCalc.f32PvVoltRef  += (Delta_MPPTStep * 0.4);  // 小幅增加电压
				}
				else  // 上次电压降低
				{
					g_MpptCalc.f32PvRefOldOld = g_MpptCalc.f32PvRefOld;
					g_MpptCalc.f32PvRefOld = g_MpptCalc.f32PvVoltRef ;
					g_MpptCalc.f32PvVoltRef  -= (Delta_MPPTStep * 0.4);  // 小幅降低电压
				}               
			}
		}
	}

	// 电压下限保护：确保PV电压不低于最小工作电压
	if(g_MpptCalc.f32PvVoltRef  < PV250V + 5)  
	{
		g_MpptCalc.f32PvVoltRef  = PV250V + 5;  // 强制设置为最小工作电压
	}
}

优缺点

优点：实现简单，计算量小
缺点：在MPP附近振荡，光照突变时可能误判

2. 电导增量法（Incremental Conductance）

原理

基于最大功率点处的数学特性：dIdV=−IV\frac{dI}{dV} = -\frac{I}{V}dVdI=−VI

算法流程

测量当前电压和电流
计算电导（I/V）和微分电导（dI/dV）
比较两者关系决定调整方向
重复上述过程

C语言实现代码

c 复制代码

// 电导增量法实现
#define DELTA_D 0.005f
#define MIN_DV 0.01f  // 最小电压变化阈值

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) {
        // 处理小电压变化情况
        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;
}

优缺点

优点：对光照突变响应好，稳态精度高
缺点：计算复杂，对传感器精度要求高

3. 其他算法

恒定电压法（CV）

基于MPP电压与开路电压近似成比例关系的假设（Vmpp≈k⋅VocV_{mpp} ≈ k \cdot V_{oc}Vmpp≈k⋅Voc）。实现简单但精度较低，常作为辅助启动方法。

智能算法

模糊逻辑控制：无需精确数学模型，鲁棒性强
神经网络控制：需要训练但精度高
粒子群优化（PSO）：适用于局部遮阴等多峰情况

工程应用实践

单通道 vs 多通道MPPT

单通道输入

所有组串并联接入单个MPPT通道
成本低但存在"木桶效应"
适合组件条件一致的场景

多通道输入

多个独立MPPT通道，各自追踪最佳工作点
抗失配能力强，发电效率高
适合复杂安装环境（多朝向、部分遮挡）

实际应用考虑因素

采样频率选择：通常10-100Hz，需在响应速度和噪声抑制间平衡
步长设计：大的步长响应快但振荡大，小的步长精度高但响应慢
硬件保护：过压、过流保护必须优先于MPPT算法
启动策略：常采用CV法提供初始工作点
软件滤波：对采样值进行滤波处理，提高稳定性

在储能变流器中的应用特点

储能变流器中的MPPT技术与光伏逆变器类似，但有以下特点：

双向能量流动：需要考虑充放电不同模式下的MPPT策略
电池SOC影响：电池状态可能限制MPPT的工作范围
多源协调：需要与电网、负载等其他能源协调工作

未来发展趋势

AI与机器学习应用：提高MPPT在复杂环境下的性能
多目标优化：兼顾效率、电池寿命、电网要求等多重目标
预测性MPPT：结合天气预报提前优化工作策略
分布式MPPT：组件级MPPT进一步提高系统效率

结论

MPPT技术是提高可再生能源系统效率的关键技术。在实际工程中，需要根据具体应用场景选择合适的算法和硬件架构。对于大多数应用，改进型的P&O和IncCond算法因其在性能和复杂度间的良好平衡而成为首选。随着技术发展，智能算法和多目标优化将成为未来发展方向。

理解MPPT不仅需要掌握算法原理，更需要结合实际工程 constraints 进行系统级优化，才能在效率、成本和可靠性间找到最佳平衡点。