主流MPPT算法汇总 (一)

目前逆变器品牌五花八门，如何设计出一流的机器一直是工程师关注的热点，而最大功率点追踪(MPPT)就是直接影响直流端能源捕捉的最关键点。今天我们就来扒一扒目前世界主流的MPPT算法，并且请允许我主观的评价下各算法的优缺点。

一. 开路电压比率法 (Fractional Open-Circuit Voltage)

这可以说是非常经典也相当古老的方法了，又名“固定电压法”。简单来说，算法基于最大功率电压和开路电压的线性关系式，系数取值由设计师决定，一般介于0.71到0.78之间，大多数设定为0.76。

MPPT在追踪时，首先开路DC端来测量开路电压，然后通过算法来计算最大功率电压并且定位最大功率点。MPPT会保持在该功率点一段时间，然后重复开路测算并且重新定位。

固定电压法的最大优点就是制作便宜并且应用简单。相反，缺点也十分明显：精确值和追踪效率较低。尽管固定电压法被称之为“追踪”算法，事实上它依然是在整个工作循环中的一个计算设定值而非即时追踪值。其次，此方法完全且单纯依赖于组串的开路电压值而放弃了对于工作电流的追踪。当局部阴影出现在阵列时，实际最大功率点和MPPT设定功率点就会出现相当大的偏差，偏差范围取决于阴影遮盖程度。最后，每次机器进行开路电压测量时，太阳能系统是无法输出功率的，随着时间和次数累计此算法会造成一定量的能量流失。总体来说，差评。

图一：固定电压测算法逻辑判定流程图。

二. 短路电流比率法(Fractional Shirt-Circuit Current)

和固定电压法的算法相似，可以表述为，是一个变量系数，通常变化范围在0.78至0.92。

和固定电压法不同的是，短路电流比率法要求在转换器内置一个高频开关来测量短路电流。比较推荐的是在组串和DC link的电容之间安装一个FET(field-effect transistor)。由于电流受到光照强度的影响非常大，通常机器还需要一个DSP(digital signal processor)来保证IV曲线的全扫描和数据的准确度。这也让短路电流比率法设计更加复杂且难以应用。差评。

三. 极限追踪控制法(Extreme Seeking Control)

该算法第一次提出在19世纪20年代，也是目前全球最流行的“观测调节法”(Perturb and Observe)的前身。算法的创新点是引入了向量在P-V曲线中。处理器根据电压的增量或减量来比较对应的功率增减量，进而确定追踪功率点的移动方向。具体判定方法请参照图二，一目了然。

ESC算法的巨大成功是相比于之前的固定电压法,通过渐进向量引入了“爬山法”的概念，进而开启了动态追踪的算法。ESC极大地拓宽了MPPT对于DC端输入能量的捕捉，显著地提高了追踪效率。由于ESC对于后代MPPT算法的影响深远，导致它的短板也一并被继承下来并至今“祸害”众多一线品牌的逆变器。ESC对于陡然变化的光照反应强烈，举个通俗例子，MPPT正专注的比较着功率和电压的变量，“嗯，正向移动的电压同步伴随着功率的增加，明显最大功率点还在正向(右边)，那我继续向右移动”。此时云层挡住了阳光，稍稍影响了输入的直流功率，使之略微下降，“慢着!正向移动的电压竟然导致功率减小了!我肯定错过了最大功率点，快掉头!”于是，追踪点就离它的归宿越来越远的地方飘去。。。我在实验室模拟测试时，亲眼看到最多达到70%左右的偏差。基于ESC这种一级(first stage)追踪的设计理念，这种现象，无解。但是欣赏它对后世的正面影响以及理念创新，还是好评!

图二：ESC算法逻辑判定流程图。

四. 观察调节法(Perturb and Observe)

站在巨人肩头发展出来的算法你敢不服?目前，P&O依然应用在世界各大主流的逆变器中也是最广泛的被应用的算法，没有之一。相比于ESC，P&O可以在更短的时间内追踪时触碰更大的区域，扫描更多地数据。这进一步提高了P&O的追踪效率和准确率。由于它在短时间内可以处理大量的数据，这也一定程度抵制了突变光照强度对于追踪精确度的影响。缺点的话，由于它扫描的范围较大，会一定程度的导致输出功率缺乏稳定性，但是抖动程度基本都在±4%以内。所以我还要给它32个赞!

P&O还有一个姐妹版本，还是“爬山”逻辑，但是并入了“试错”法(trial and error)。处理器会根据下一刻追踪点的移动趋势，比较功率的正增量或负增量。如果功率持续增加，处理器将会继续同方向移动追踪点，不停比较直到功率达到峰值。

图三：P&O算法逻辑判定图。

文章作者：张帅杰