引言

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）算法是提高光伏逆變器效率的關(guān)鍵技術(shù)。擾動(dòng)觀察法（Perturb and Observe，P&O）因其簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)而被廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法存在步長(zhǎng)固定的缺陷，可能導(dǎo)致跟蹤速度與精度難以兼顧。同時(shí)，在嵌入式系統(tǒng)中，浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算會(huì)消耗大量資源，定點(diǎn)數(shù)優(yōu)化成為提升系統(tǒng)性能的重要手段。本文將探討變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法的原理及其在光伏逆變器嵌入式實(shí)現(xiàn)中的定點(diǎn)數(shù)優(yōu)化方法。

擾動(dòng)觀察法原理與變步長(zhǎng)改進(jìn)

（一）傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法原理

傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法通過(guò)周期性地改變光伏陣列的輸出電壓（或電流），觀察輸出功率的變化，從而調(diào)整工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)移動(dòng)。若功率增加，則保持?jǐn)_動(dòng)方向；若功率減小，則改變擾動(dòng)方向。但固定步長(zhǎng)在快速變化的工況下可能跟蹤速度慢，在穩(wěn)定狀態(tài)附近又易產(chǎn)生振蕩。

（二）變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法改進(jìn)

變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法根據(jù)功率變化量動(dòng)態(tài)調(diào)整擾動(dòng)步長(zhǎng)。功率變化量大時(shí)，采用大步長(zhǎng)以加快跟蹤速度；功率變化量小時(shí)，采用小步長(zhǎng)以提高跟蹤精度。

假設(shè)光伏陣列的輸出功率為P，輸出電壓為V，功率變化量為ΔP=P(k)?P(k?1)，電壓變化量為ΔV=V(k)?V(k?1)。步長(zhǎng)調(diào)整公式可表示為：

定點(diǎn)數(shù)優(yōu)化原理

在嵌入式系統(tǒng)中，浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算需要專門(mén)的浮點(diǎn)運(yùn)算單元，會(huì)增加硬件成本和運(yùn)算時(shí)間。定點(diǎn)數(shù)運(yùn)算通過(guò)將小數(shù)部分用整數(shù)表示，利用整數(shù)運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)近似的小數(shù)運(yùn)算，能夠有效減少資源占用。

定點(diǎn)數(shù)表示方法為：Q

m,n

，其中m為整數(shù)位數(shù)，n為小數(shù)位數(shù)，數(shù)值x的定點(diǎn)數(shù)表示為x

fixed

=x×2

n

。

嵌入式實(shí)現(xiàn)與代碼示例

（一）系統(tǒng)初始化

在嵌入式系統(tǒng)中，首先需要對(duì)相關(guān)變量進(jìn)行初始化，并設(shè)置定點(diǎn)數(shù)表示格式。

c

// 定義定點(diǎn)數(shù)格式，假設(shè)Q12.4格式，即整數(shù)12位，小數(shù)4位

#define Q_FORMAT 4

#define INT_TO_FIXED(x) ((int32_t)((x) * (1 << Q_FORMAT)))

#define FIXED_TO_INT(x) ((x) >> Q_FORMAT)

#define FIXED_MUL(a, b) (((int64_t)(a) * (b)) >> Q_FORMAT)

// 初始化變量

int32_t voltage_fixed = INT_TO_FIXED(24.0); // 初始電壓，24V，定點(diǎn)數(shù)表示

int32_t power_fixed_prev = 0;

int32_t power_fixed_curr = 0;

int32_t delta_power_fixed = 0;

int32_t delta_voltage_fixed = 0;

int32_t step_size_fixed = INT_TO_FIXED(0.5); // 初始步長(zhǎng)，0.5V

// 功率閾值設(shè)定

int32_t power_threshold1_fixed = INT_TO_FIXED(10.0); // P_th1，10W

int32_t power_threshold2_fixed = INT_TO_FIXED(2.0);  // P_th2，2W

// 步長(zhǎng)系數(shù)

int32_t k1_fixed = INT_TO_FIXED(1.5);

int32_t k2_fixed = INT_TO_FIXED(1.0);

int32_t k3_fixed = INT_TO_FIXED(0.3);

（二）變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)

c

void mppt_control() {

   // 模擬獲取當(dāng)前功率（實(shí)際中通過(guò)采樣電路獲取）

   power_fixed_curr = get_current_power(); // 獲取當(dāng)前功率的定點(diǎn)數(shù)表示

   // 計(jì)算功率變化量

   delta_power_fixed = power_fixed_curr - power_fixed_prev;

   // 計(jì)算電壓變化量（假設(shè)每次擾動(dòng)固定電壓）

   delta_voltage_fixed = step_size_fixed;

   // 更新上一次功率值

   power_fixed_prev = power_fixed_curr;

   // 根據(jù)功率變化量調(diào)整步長(zhǎng)

   if (ABS(delta_power_fixed) > power_threshold1_fixed) {

       step_size_fixed = FIXED_MUL(k1_fixed, delta_voltage_fixed);

   } else if (ABS(delta_power_fixed) > power_threshold2_fixed) {

       step_size_fixed = FIXED_MUL(k2_fixed, delta_voltage_fixed);

   } else {

       step_size_fixed = FIXED_MUL(k3_fixed, delta_voltage_fixed);

   }

   // 調(diào)整電壓（根據(jù)擾動(dòng)方向）

   if (delta_power_fixed > 0) {

       voltage_fixed += step_size_fixed;

   } else {

       voltage_fixed -= step_size_fixed;

   }

   // 輸出調(diào)整后的電壓（定點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)實(shí)際值用于控制）

   float voltage_actual = FIXED_TO_FLOAT(voltage_fixed);

   // 將voltage_actual用于控制光伏逆變器的輸出電壓

}

// 輔助函數(shù)：定點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)浮點(diǎn)數(shù)

float FIXED_TO_FLOAT(int32_t fixed) {

   return (float)fixed / (1 << Q_FORMAT);

}

// 輔助函數(shù)：計(jì)算絕對(duì)值（定點(diǎn)數(shù)）

int32_t ABS(int32_t x) {

   return (x < 0) ? -x : x;

}

結(jié)論

通過(guò)采用變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法并對(duì)其進(jìn)行定點(diǎn)數(shù)優(yōu)化，能夠在光伏逆變器的嵌入式實(shí)現(xiàn)中有效提高M(jìn)PPT算法的跟蹤速度和精度，同時(shí)減少資源占用。在實(shí)際應(yīng)用中，開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)具體硬件平臺(tái)的性能和光伏系統(tǒng)的特點(diǎn)，進(jìn)一步調(diào)整定點(diǎn)數(shù)格式和步長(zhǎng)調(diào)整策略，以實(shí)現(xiàn)最佳的MPPT效果。