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。

PV 电池板的功率输出取决于若干参数，例如电池板受到的辐照、电池板电压、电池板温度等。因此，在影响参数
值发生变化的条件下，功率输出也在一天之中不断变化。
下显示了太阳能电池板的 I-V 曲线和 P-V 曲线。I-V 曲线表示电池板输出电流与输出电压之间的关系。如图中的 I-V 曲线所示，当端子短接时，电池板电流最大；当端子开路且空载时，电池板电流最小。
在这里插入图片描述
如图所示，当电池板电压和电池板电流的乘积达到最大值时，从电池板获得的最大功率表示为 PMAX。该点指定为最大功率点 (MPP)。

下图举例说明各项参数对太阳能电池板输出功率的影响。这些图形还显示了太阳能电池板的功率输出随辐照度的变化。在这些图中可观察到，太阳能电池板的功率输出随辐照度的增加而增加，随辐照度的减少而减少的情况。还要注意的是，发生 MPP 时的电池板电压也随着辐照度的变化而变化。
在这里插入图片描述

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：

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

其中， $I_{ph}$ 为光生电流， $I_0$ 为反向饱和电流， $R_s$ 为串联电阻， $R_{sh}$ 为并联电阻， $n$ 为理想因子， $V_t$ 为热电压。

最大功率点处的数学特性为：

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

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

// 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;
}

可复用-扰动观察法

/*** @brief MPPT（最大功率点跟踪）算法结构体* * 该结构体包含了MPPT算法所需的所有参数和状态变量* 实现了扰动观察法（Perturb and Observe）MPPT算法*/
typedef struct {float32_t  Ipv;        // 当前光伏电流值float32_t  Vpv;        // 当前光伏电压值float32_t  MaxI;       // 最大允许电流限制float32_t  MinI;       // 最小允许电流限制float32_t  Stepsize;   // MPPT步长，用于调整电流参考值float32_t  ImppOut;    // MPPT输出的电流参考值// 内部状态变量float32_t  Step;       // 当前步长（未使用）float32_t  PpvOld;     // 上一次的功率值float32_t  IpvOld;     // 上一次的电流值int16_t mppt_first;    // 首次运行标志位int mppt_enable;       // MPPT使能标志位
} uinv_dcdc_mppt_t;/*** @brief MPPT算法初始化函数* @param v MPPT结构体指针* * 初始化MPPT算法的状态变量，设置首次运行标志*/
static void uinv_dcdc_mppt_init(uinv_dcdc_mppt_t *v) {v->mppt_first = 1;  // 设置首次运行标志
}/*** @brief MPPT算法主运行函数* @param v MPPT结构体指针* * 实现扰动观察法MPPT算法：* 1. 计算当前功率点* 2. 比较当前功率与上一次功率* 3. 根据功率变化趋势调整电流参考值* 4. 确保输出电流在安全范围内*/
#pragma FUNC_ALWAYS_INLINE(uinv_dcdc_mppt_run)
static void uinv_dcdc_mppt_run(uinv_dcdc_mppt_t *v) {// 计算当前功率点 P = V × Ifloat32_t P = v->Vpv * v->Ipv;// 检查MPPT是否使能if(v->mppt_enable) {// 首次运行时的初始化if(v->mppt_first) {v->ImppOut = v->Ipv;    // 设置初始电流参考值为当前电流v->PpvOld = P;          // 保存当前功率值v->IpvOld = v->Ipv;     // 保存当前电流值v->mppt_first = 0;      // 清除首次运行标志} else {// 计算电流变化量float32_t deltaI = v->Ipv - v->IpvOld;// 扰动观察法核心逻辑if(deltaI > 0) { // 如果电流在增加if(P > v->PpvOld) { // 且功率也在增加// 继续增加电流（向最大功率点方向移动）v->ImppOut = v->Ipv + v->Stepsize;} else { // 但功率在减少// 减少电流（反向移动，避免越过最大功率点）v->ImppOut = v->Ipv - v->Stepsize;}} else { // 如果电流在减少if(P > v->PpvOld) { // 且功率在增加// 继续减少电流（向最大功率点方向移动）v->ImppOut = v->Ipv - v->Stepsize;} else { // 且功率也在减少// 增加电流（反向移动，避免越过最大功率点）v->ImppOut = v->Ipv + v->Stepsize;}}}}// 电流限幅保护：确保输出电流在安全范围内v->ImppOut = (v->ImppOut < v->MinI) ? v->MinI : v->ImppOut;  // 下限保护v->ImppOut = (v->ImppOut > v->MaxI) ? v->MaxI : v->ImppOut;  // 上限保护// 更新历史值，为下次计算做准备v->IpvOld = v->Ipv;  // 保存当前电流值v->PpvOld = P;       // 保存当前功率值
}#endif /* UINV_DCDC_MPPT_H_ */

代码分析

这段代码实现了一个**扰动观察法（Perturb and Observe, P&O）**的MPPT（最大功率点跟踪）算法，用于太阳能光伏系统中。以下是详细解释：

1. 算法原理

MPPT算法的目的是让光伏系统始终工作在最大功率点，从而获得最大的能量输出。扰动观察法的基本原理是：

通过小幅扰动（改变工作电流）来观察功率变化
根据功率变化趋势决定下一步的扰动方向
逐步收敛到最大功率点

2. 核心逻辑分析

初始化阶段：

首次运行时，记录当前电流和功率值作为基准

扰动观察阶段：

计算当前功率：P = Vpv × Ipv
比较当前功率与上一次功率的变化
根据电流变化方向和功率变化趋势决定下一步动作：

电流变化	功率变化	下一步动作	说明
增加	增加	继续增加电流	向最大功率点方向移动
增加	减少	减少电流	反向移动，避免越过最大功率点
减少	增加	继续减少电流	向最大功率点方向移动
减少	减少	增加电流	反向移动，避免越过最大功率点

3. 安全保护

电流限幅：确保输出电流在MinI和MaxI范围内
使能控制：通过mppt_enable标志控制算法是否运行

4. 算法特点

简单高效：实现简单，计算量小
自适应性：能够自动跟踪最大功率点
稳定性：在最大功率点附近会有小幅振荡，这是该算法的固有特性

C语言实现代码-基于变步长扰动观察法

/************************************************************************/
/*** @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： $dIdV=−IV\frac{dI}{dV} = -\frac{I}{V}$

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

// 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;
}